Абстрактный:Нами разработан волновод на основе диэлектрика 1550 нм из танталата лития с потерями 0,28 дБ/см и добротностью кольцевого резонатора 1,1 миллиона. Изучено применение нелинейности χ(3) в нелинейной фотонике. Преимущества ниобата лития на изоляторе (LNoI), который демонстрирует превосходные нелинейные свойства χ(2) и χ(3), а также сильное оптическое ограничение благодаря своей структуре «изолятор-на-изоляторе», привели к значительному прогрессу в технологии волноводов для сверхбыстрых измерений. модуляторы и интегральная нелинейная фотоника [1-3]. Помимо LN, танталат лития (LT) также исследовался как нелинейный фотонный материал. По сравнению с ЛН ЛТ имеет более высокий порог оптического повреждения и более широкое окно оптической прозрачности [4, 5], хотя его оптические параметры, такие как показатель преломления и коэффициенты нелинейности, аналогичны параметрам ЛН [6, 7]. Таким образом, LToI выделяется как еще один сильный кандидат для применения в нелинейных фотонных приложениях с высокой оптической мощностью. Более того, LToI становится основным материалом для устройств фильтрации на поверхностных акустических волнах (ПАВ), применимых в высокоскоростных мобильных и беспроводных технологиях. В этом контексте пластины LToI могут стать более распространенными материалами для фотонных приложений. Однако на сегодняшний день известно лишь несколько фотонных устройств на основе LToI, таких как микродисковые резонаторы [8] и электрооптические фазовращатели [9]. В этой статье мы представляем волновод LToI с низкими потерями и его применение в кольцевом резонаторе. Кроме того, мы приводим нелинейные характеристики χ(3) волновода LToI.
Ключевые моменты:
• Предлагаются пластины LToI размером от 4 до 6 дюймов, тонкопленочные пластины из танталата лития с толщиной верхнего слоя от 100 до 1500 нм, с использованием отечественных технологий и отработанных процессов.
• SINOI: тонкопленочные пластины из нитрида кремния со сверхнизкими потерями.
• SICOI: полуизолирующие тонкопленочные подложки из карбида кремния высокой чистоты для фотонных интегральных схем из карбида кремния.
• LTOI: сильный конкурент ниобата лития, тонкопленочных пластин танталата лития.
• LNOI: 8-дюймовый LNOI, поддерживающий массовое производство тонкопленочных продуктов из ниобата лития.
Производство изоляторных волноводов:В этом исследовании мы использовали 4-дюймовые пластины LToI. Верхний слой LT представляет собой коммерческую подложку LT с Y-образным вырезом, повернутую на 42°, для устройств SAW, которая напрямую соединена с кремниевой подложкой с помощью термооксидного слоя толщиной 3 мкм с использованием интеллектуального процесса резки. На рисунке 1(а) показан вид сверху пластины LToI с толщиной верхнего слоя LT 200 нм. Шероховатость поверхности верхнего слоя LT оценивалась с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ).
Рисунок 1.(a) Вид сверху на пластину LToI, (b) АСМ-изображение поверхности верхнего слоя LT, (c) Изображение PFM поверхности верхнего слоя LT, (d) Схематическое сечение волновода LToI, (e) Рассчитанный профиль фундаментальной TE-моды и (f) СЭМ-изображение сердцевины волновода LToI до осаждения верхнего слоя SiO2. Как показано на рисунке 1 (b), шероховатость поверхности составляет менее 1 нм, линий царапин не наблюдается. Кроме того, мы исследовали состояние поляризации верхнего слоя LT с помощью силовой микроскопии пьезоэлектрического отклика (PFM), как показано на рисунке 1 (c). Мы подтвердили, что равномерная поляризация сохраняется даже после процесса склеивания.
Используя эту подложку LToI, мы изготовили волновод следующим образом. Сначала наносился слой металлической маски для последующего сухого травления ЛТ. Затем была выполнена электронно-лучевая (ЭЛ) литография для определения рисунка сердцевины волновода поверх слоя металлической маски. Затем мы перенесли рисунок резиста EB на слой металлической маски методом сухого травления. После этого сердцевина волновода LToI была сформирована с использованием плазменного травления электронного циклотронного резонанса (ЭЦР). Наконец, слой металлической маски был удален с помощью мокрого процесса, а верхний слой SiO2 был нанесен с использованием плазменно-усиленного химического осаждения из паровой фазы. На рис. 1(г) показано схематическое поперечное сечение волновода LToI. Общая высота ядра, высота пластины и ширина ядра составляют 200 нм, 100 нм и 1000 нм соответственно. Обратите внимание, что ширина сердцевины увеличивается до 3 мкм на краю волновода при соединении оптического волокна.
На рисунке 1 (e) показано расчетное распределение оптической интенсивности основной поперечной электрической (TE) моды на длине волны 1550 нм. На рис. 1 (f) показано изображение сердцевины волновода LToI, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), до нанесения верхнего слоя SiO2.
Характеристики волновода:Сначала мы оценили характеристики линейных потерь, подав TE-поляризованный свет от источника спонтанного излучения с усилением длины волны 1550 нм в волноводы LToI различной длины. Потери при распространении определялись по наклону зависимости между длиной волновода и передачей на каждой длине волны. Измеренные потери распространения составили 0,32, 0,28 и 0,26 дБ/см на длинах волн 1530, 1550 и 1570 нм соответственно, как показано на рисунке 2 (а). Изготовленные волноводы LToI продемонстрировали сопоставимые характеристики с низкими потерями с современными волноводами LNoI [10].
Затем мы оценили нелинейность χ(3) посредством преобразования длины волны, генерируемого процессом четырехволнового смешивания. Мы вводим непрерывный свет накачки с длиной волны 1550,0 нм и сигнальный свет с длиной волны 1550,6 нм в волновод длиной 12 мм. Как показано на рисунке 2 (б), интенсивность сигнала обращенной (холостой) световой волны увеличивалась с увеличением входной мощности. На вставке к рисунку 2 (б) показан типичный выходной спектр четырехволнового смешения. Из зависимости между входной мощностью и эффективностью преобразования мы оценили нелинейный параметр (γ) примерно в 11 Вт^-1м.
Рисунок 3.(а) Микроскопическое изображение изготовленного кольцевого резонатора. (б) Спектры пропускания кольцевого резонатора с различными параметрами щели. (в) Измеренный и лоренцево-аппроксимированный спектр пропускания кольцевого резонатора с зазором 1000 нм.
Далее мы изготовили кольцевой резонатор LToI и оценили его характеристики. На рис. 3 (а) показано изображение изготовленного кольцевого резонатора, полученное оптическим микроскопом. Кольцевой резонатор имеет конфигурацию «гоночной дорожки», состоящую из изогнутой области радиусом 100 мкм и прямой области длиной 100 мкм. Ширина зазора между кольцом и сердцевиной волновода шины изменяется с шагом 200 нм, а именно: 800, 1000 и 1200 нм. На рис. 3 (б) показаны спектры пропускания для каждой щели, что указывает на то, что коэффициент экстинкции меняется с размером щели. Из этих спектров мы определили, что ширина зазора 1000 нм обеспечивает почти критические условия связи, поскольку она демонстрирует самый высокий коэффициент затухания -26 дБ.
Используя критически связанный резонатор, мы оценили добротность (добротность), аппроксимировав линейный спектр пропускания лоренцевой кривой, получив внутреннюю добротность 1,1 миллиона, как показано на рисунке 3 (c). Насколько нам известно, это первая демонстрация кольцевого резонатора LToI с волноводной связью. Примечательно, что достигнутое нами значение добротности существенно выше, чем у оптоволоконных микродисковых резонаторов LToI [9].
Заключение:Мы разработали волновод LToI с потерями 0,28 дБ/см на длине волны 1550 нм и добротностью кольцевого резонатора 1,1 миллиона. Полученные характеристики сравнимы с характеристиками современных волноводов LNoI с низкими потерями. Кроме того, мы исследовали нелинейность χ(3) изготовленного волновода LToI для внутрикристальных нелинейных приложений.
Время публикации: 20 ноября 2024 г.