Абстрактный:Мы разработали волновод на основе танталата лития с диэлектрической прослойкой 1550 нм, имеющий потери 0,28 дБ/см и добротность кольцевого резонатора 1,1 миллиона. Было изучено применение нелинейности χ(3) в нелинейной фотонике. Преимущества ниобата лития на диэлектрической прослойке (LNoI), который демонстрирует превосходные нелинейные свойства χ(2) и χ(3) наряду с сильным оптическим ограничением благодаря своей структуре «диэлектрик-на», привели к значительному прогрессу в волноводной технологии для сверхбыстрых модуляторов и интегрированной нелинейной фотоники [1-3]. Помимо ниобата лития, в качестве нелинейного фотонного материала также исследовался танталат лития (LT). По сравнению с ниобатом лития, LT имеет более высокий порог оптического повреждения и более широкое окно оптической прозрачности [4, 5], хотя его оптические параметры, такие как показатель преломления и нелинейные коэффициенты, аналогичны параметрам ниобата лития [6, 7]. Таким образом, LToI выделяется как еще один перспективный материал для нелинейных фотонных приложений с высокой оптической мощностью. Более того, LToI становится основным материалом для фильтрующих устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ), применяемых в высокоскоростных мобильных и беспроводных технологиях. В этом контексте пластины LToI могут стать более распространенными материалами для фотонных приложений. Однако до настоящего времени было описано лишь несколько фотонных устройств на основе LToI, таких как микродисковые резонаторы [8] и электрооптические фазовращатели [9]. В данной статье мы представляем волновод LToI с низкими потерями и его применение в кольцевом резонаторе. Кроме того, мы приводим нелинейные характеристики χ(3) волновода LToI.
Основные моменты:
• Предлагаем пластины LToI размером от 4 до 6 дюймов, тонкопленочные пластины танталата лития, с толщиной верхнего слоя от 100 до 1500 нм, используя отечественные технологии и отработанные процессы.
• SINOI: Тонкопленочные пластины нитрида кремния со сверхнизкими потерями.
• SICOI: Высокочистые полуизолирующие тонкопленочные подложки из карбида кремния для фотонных интегральных схем на основе карбида кремния.
• LTOI: Серьезный конкурент ниобату лития, тонкопленочным пластинам танталата лития.
• LNOI: 8-дюймовый LNOI, поддерживающий массовое производство тонкопленочных изделий из ниобата лития в больших масштабах.
Изготовление волноводов на изоляторах:В данном исследовании мы использовали 4-дюймовые пластины LToI. Верхний низкотемпературный слой представляет собой коммерческую низкотемпературную подложку с Y-образным срезом, повернутую на 42°, для устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которая непосредственно соединена с кремниевой подложкой с помощью термического оксидного слоя толщиной 3 мкм, используя интеллектуальный процесс резки. На рисунке 1(а) показан вид сверху пластины LToI с толщиной верхнего низкотемпературного слоя 200 нм. Шероховатость поверхности верхнего низкотемпературного слоя оценивали с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ).
Рисунок 1.(a) Вид сверху на подложку LToI, (b) изображение поверхности верхнего слоя LT, полученное с помощью АСМ, (c) изображение поверхности верхнего слоя LT, полученное с помощью ПФМ, (d) Схематическое поперечное сечение волновода LToI, (e) Рассчитанный профиль основной моды TE и (f) изображение сердцевины волновода LToI, полученное с помощью СЭМ, до нанесения слоя SiO2. Как показано на рисунке 1 (b), шероховатость поверхности составляет менее 1 нм, и царапины не наблюдались. Кроме того, мы исследовали состояние поляризации верхнего слоя LT с помощью пьезоэлектрической силовой микроскопии (ПФМ), 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 был нанесен слой металлической маски для последующего сухого травления LT. Затем была выполнена электронно-лучевая (ЭЛ) литография для определения рисунка сердцевины волновода поверх слоя металлической маски. Далее мы перенесли рисунок ЭЛ-резиста на слой металлической маски с помощью сухого травления. После этого сердцевина волновода LToI была сформирована с помощью плазменного травления с электронно-циклотронным резонансом (ЭЦР). Наконец, слой металлической маски был удален влажным способом, и был нанесен слой SiO2 с использованием плазменно-усиленного химического осаждения из газовой фазы. На рисунке 1 (d) показано схематическое поперечное сечение волновода LToI. Общая высота сердцевины, высота пластины и ширина сердцевины составляют 200 нм, 100 нм и 1000 нм соответственно. Следует отметить, что ширина сердцевины увеличивается до 3 мкм на краю волновода для оптического волоконного соединения.
На рисунке 1 (e) показано рассчитанное распределение оптической интенсивности основной поперечной электрической (TE) моды на длине волны 1550 нм. На рисунке 1 (f) представлено изображение сердцевины волновода LToI, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), до нанесения слоя SiO2.
Характеристики волновода:Сначала мы оценили линейные характеристики потерь, подавая ТЕ-поляризованный свет от источника усиленного спонтанного излучения с длиной волны 1550 нм в волноводы LToI различной длины. Потери распространения были получены из наклона зависимости между длиной волновода и пропусканием 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 низкие потери с современными волноводами LNoI [10].
Далее мы оценили нелинейность χ(3) посредством преобразования длины волны, генерируемого процессом четырехволнового смешения. Мы подавали 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 (b), интенсивность сигнала фазово-сопряженной (холостой) световой волны увеличивалась с увеличением входной мощности. На вставке на рисунке 2 (b) показан типичный выходной спектр четырехволнового смешения. Из соотношения между входной мощностью и эффективностью преобразования мы оценили нелинейный параметр (γ) приблизительно равным 11 Вт⁻¹м.
Рисунок 3.(a) Микроскопическое изображение изготовленного кольцевого резонатора. (b) Спектры пропускания кольцевого резонатора с различными параметрами зазора. (c) Измеренный и аппроксимированный лоренцевской функцией спектр пропускания кольцевого резонатора с зазором 1000 нм.
Далее мы изготовили кольцевой резонатор LToI и оценили его характеристики. На рисунке 3 (а) показано изображение изготовленного кольцевого резонатора, полученное с помощью оптического микроскопа. Кольцевой резонатор имеет конфигурацию «гоночной трассы», состоящую из изогнутой области радиусом 100 мкм и прямой области длиной 100 мкм. Ширина зазора между кольцом и сердцевиной волновода изменяется с шагом 200 нм, а именно на 800, 1000 и 1200 нм. На рисунке 3 (б) показаны спектры пропускания для каждого зазора, указывающие на изменение коэффициента ослабления в зависимости от размера зазора. Из этих спектров мы определили, что зазор в 1000 нм обеспечивает почти критические условия связи, поскольку он демонстрирует самый высокий коэффициент ослабления -26 дБ.
Используя резонатор с критической связью, мы оценили добротность (фактор Q) путем аппроксимации линейного спектра пропускания лоренцевской кривой, получив внутренний фактор Q, равный 1,1 миллиона, как показано на рисунке 3 (c). Насколько нам известно, это первая демонстрация волноводно-связанного кольцевого резонатора LToI. Примечательно, что достигнутое нами значение фактора Q значительно выше, чем у микродисковых резонаторов LToI с волоконной связью [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 сопоставимы с характеристиками современных волноводов LNoI с низкими потерями. Кроме того, мы исследовали нелинейность χ(3) изготовленного волновода LToI для нелинейных приложений на кристалле.
Дата публикации: 20 ноября 2024 г.