Абстрактный:Мы разработали волновод на основе танталата лития на основе изолятора 1550 нм с потерями 0,28 дБ/см и добротностью кольцевого резонатора 1,1 миллиона. Было изучено применение нелинейности χ(3) в нелинейной фотонике. Преимущества ниобата лития на изоляторе (LNoI), который демонстрирует превосходные нелинейные свойства χ(2) и χ(3) наряду с сильным оптическим ограничением благодаря своей структуре «изолятор-на», привели к значительным достижениям в технологии волноводов для сверхбыстрых модуляторов и интегрированной нелинейной фотоники [1-3]. В дополнение к LN, танталат лития (LT) также был исследован в качестве нелинейного фотонного материала. По сравнению с LN, 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 LN [6, 7]. Таким образом, LToI выделяется как еще один сильный кандидат на материал для нелинейных фотонных приложений с высокой оптической мощностью. Более того, LToI становится основным материалом для устройств фильтрации поверхностных акустических волн (SAW), применимых в высокоскоростных мобильных и беспроводных технологиях. В этом контексте пластины LToI могут стать более распространенными материалами для фотонных приложений. Однако на сегодняшний день было сообщено только о нескольких фотонных устройствах 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 предоставляем нелинейные характеристики χ(3) волновода LToI.
Ключевые моменты:
• Предлагаем пластины LToI размером от 4 до 6 дюймов, тонкопленочные пластины танталата лития с толщиной верхнего слоя от 100 нм до 1500 нм, с использованием отечественных технологий и отработанных процессов.
• SINOI: Тонкопленочные пластины из нитрида кремния со сверхнизкими потерями.
• SICOI: Высокочистые полуизолирующие тонкопленочные подложки из карбида кремния для фотонных интегральных схем на основе карбида кремния.
• LTOI: серьезный конкурент пластинам ниобата лития и тонкопленочного танталата лития.
• LNOI: 8-дюймовый LNOI, поддерживающий массовое производство крупномасштабных тонкопленочных изделий из ниобата лития.
Изготовление на основе изоляторов волноводов:В этом исследовании мы использовали 4-дюймовые пластины LToI. Верхний слой LT представляет собой коммерческую повернутую на 42° Y-образную подложку LT для устройств SAW, которая напрямую связана с подложкой Si с термическим оксидным слоем толщиной 3 мкм с использованием интеллектуального процесса резки. На рисунке 1(a) показан вид сверху пластины LToI с толщиной верхнего слоя LT 200 нм. Мы оценили шероховатость поверхности верхнего слоя LT с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ).
Рисунок 1.(a) Вид сверху на пластину LToI, (b) Изображение АСМ поверхности верхнего слоя LT, (c) Изображение ПФМ поверхности верхнего слоя LT, (d) Схематическое поперечное сечение волновода LToI, (e) Рассчитанный профиль основной моды TE и (f) Изображение СЭМ сердцевины волновода LToI до нанесения слоя SiO2. Как показано на рисунке 1 (b), шероховатость поверхности составляет менее 1 нм, и никаких линий царапин не наблюдалось. Кроме того, мы исследовали состояние поляризации верхнего слоя LT с помощью микроскопии пьезоэлектрического отклика (ПФМ), как показано на рисунке 1 (c). Мы подтвердили, что однородная поляризация сохранялась даже после процесса связывания.
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 (EB) литография для определения рисунка сердцевины волновода поверх слоя металлической маски. Затем мы перенесли рисунок резиста EB на слой металлической маски с помощью сухого травления. После этого сердцевина волновода LToI была сформирована с помощью плазменного травления на электронном циклотронном резонансе (ECR). Наконец, слой металлической маски был удален с помощью влажного процесса, и верхний слой SiO2 был нанесен с помощью плазменно-усиленного химического осаждения из паровой 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. Обратите внимание, что ширина сердцевины расширяется до 3 мкм на краю волновода для соединения оптического волокна.
Рисунок 1 (e) показывает рассчитанное распределение оптической интенсивности основной поперечной электрической (TE) моды при 1550 нм. Рисунок 1 (f) показывает изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) сердцевины волновода LToI до нанесения слоя SiO2.
Характеристики волновода:Сначала мы оценили характеристики линейных потерь, вводя TE-поляризованный свет из 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 1530, 1550 и 1570 нм соответственно, как показано на рисунке 2 (a). Изготовленные волноводы LToI продемонстрировали сопоставимые характеристики низких потерь с современными волноводами LNoI [10].
Далее мы оценили нелинейность χ(3) через преобразование длины волны, произведенное четырехволновым процессом смешения. Мы вводим непрерывный свет накачки на 1550,0 нм и сигнальный свет на 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. Вставка на рисунке 2 (b) показывает типичный выходной спектр четырехволнового смешения. Из соотношения между входной мощностью и эффективностью преобразования мы оценили нелинейный параметр (γ), который составил приблизительно 11 Вт^-1м.
Рисунок 3.(a) Микроскопическое изображение изготовленного кольцевого резонатора. (b) Спектры пропускания кольцевого резонатора с различными параметрами зазора. (c) Измеренный и подобранный по лоренцеву спектр пропускания кольцевого резонатора с зазором 1000 нм.
Затем 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 дорожки», состоящую из изогнутой области с радиусом 100 мкм и прямой области длиной 100 мкм. Ширина зазора между кольцом и сердечником волновода шины изменяется с шагом 200 нм, в частности при 800, 1000 и 1200 нм. На рисунке 3 (б) показаны спектры пропускания для каждого зазора, указывающие на то, что коэффициент затухания изменяется с размером зазора. Из этих спектров мы определили, что зазор 1000 нм обеспечивает почти критические условия связи, поскольку он демонстрирует самый высокий коэффициент затухания -26 дБ.
Используя критически связанный резонатор, мы оценили добротность (Q-фактор) путем подгонки линейного спектра пропускания с помощью лоренцевской 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 значение Q-фактора, которого мы достигли, значительно выше, чем у микродисковых резонаторов LToI с волоконной связью [9].
Заключение:Мы разработали волновод LToI с потерями 0,28 дБ/см на 1550 нм и кольцевым резонатором с добротностью 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.
Время публикации: 20 ноября 2024 г.