Opsomming:Ons het 'n 1550 nm isolator-gebaseerde litiumtantalaat-golfleier ontwikkel met 'n verlies van 0.28 dB/cm en 'n ringresonator-kwaliteitsfaktor van 1.1 miljoen. Die toepassing van χ(3) nie-lineariteit in nie-lineêre fotonika is bestudeer. Die voordele van litiumniobaat op isolator (LNoI), wat uitstekende χ(2) en χ(3) nie-lineêre eienskappe vertoon, tesame met sterk optiese inperking as gevolg van sy "isolator-op"-struktuur, het gelei tot beduidende vooruitgang in golfleiertegnologie vir ultrasnelle modulators en geïntegreerde nie-lineêre fotonika [1-3]. Benewens LN, is litiumtantalaat (LT) ook ondersoek as 'n nie-lineêre fotoniese materiaal. In vergelyking met LN, het LT 'n hoër optiese skadedrempel en 'n wyer optiese deursigtigheidsvenster [4, 5], hoewel sy optiese parameters, soos brekingsindeks en nie-lineêre koëffisiënte, soortgelyk is aan dié van LN [6, 7]. Dus staan LToI uit as nog 'n sterk kandidaatmateriaal vir nie-lineêre fotoniese toepassings met hoë optiese krag. Boonop word LToI 'n primêre materiaal vir oppervlakakoestiese golf (SAW) filtertoestelle, wat van toepassing is in hoëspoed mobiele en draadlose tegnologieë. In hierdie konteks kan LToI-wafers meer algemene materiale vir fotoniese toepassings word. Tot op hede is daar egter slegs 'n paar fotoniese toestelle gebaseer op LToI gerapporteer, soos mikroskyfresonators [8] en elektro-optiese faseverskuiwers [9]. In hierdie artikel bied ons 'n lae-verlies LToI-golfleier en die toepassing daarvan in 'n ringresonator aan. Daarbenewens verskaf ons die χ(3) nie-lineêre eienskappe van die LToI-golfleier.
Sleutelpunte:
• Ons bied 4-duim tot 6-duim LToI-wafers, dunfilm-litiumtantalaatwafers, met boonste laagdiktes wat wissel van 100 nm tot 1500 nm, deur gebruik te maak van plaaslike tegnologie en volwasse prosesse.
• SINOI: Ultra-lae verlies silikon nitried dunfilm wafers.
• SICOI: Hoë-suiwerheid semi-isolerende silikonkarbied dunfilmsubstrate vir silikonkarbied fotoniese geïntegreerde stroombane.
• LTOI: 'n Sterk mededinger vir litiumniobat, dunfilm-litiumtantalaatwafers.
• LNOI: 8-duim LNOI wat die massaproduksie van groterskaalse dunfilm-litiumniobatprodukte ondersteun.
Vervaardiging op isolatorgolfgidse:In hierdie studie het ons 4-duim LToI-wafers gebruik. Die boonste LT-laag is 'n kommersiële 42° geroteerde Y-gesnyde LT-substraat vir SAW-toestelle, wat direk aan 'n Si-substraat gebind is met 'n 3 µm dik termiese oksiedlaag, deur gebruik te maak van 'n slim snyproses. Figuur 1(a) toon 'n bo-aansig van die LToI-wafer, met die boonste LT-laagdikte van 200 nm. Ons het die oppervlakruheid van die boonste LT-laag beoordeel met behulp van atoomkragmikroskopie (AFM).
Figuur 1.(a) Bo-aansig van die LToI-wafer, (b) AFM-beeld van die oppervlak van die boonste LT-laag, (c) PFM-beeld van die oppervlak van die boonste LT-laag, (d) Skematiese dwarssnit van die LToI-golfgeleier, (e) Berekende fundamentele TE-modusprofiel, en (f) SEM-beeld van die LToI-golfgeleierkern voor SiO2-oorlaagafsetting. Soos getoon in Figuur 1 (b), is die oppervlakruheid minder as 1 nm, en geen kraslyne is waargeneem nie. Daarbenewens het ons die polarisasietoestand van die boonste LT-laag ondersoek met behulp van piezo-elektriese reaksiekragmikroskopie (PFM), soos uitgebeeld in Figuur 1 (c). Ons het bevestig dat eenvormige polarisasie selfs na die bindingsproses gehandhaaf is.
Met behulp van hierdie LToI-substraat het ons die golfgeleier soos volg vervaardig. Eers is 'n metaalmaskerlaag neergelê vir daaropvolgende droë-etsing van die LT. Daarna is elektronstraal (EB) litografie uitgevoer om die golfgeleierkernpatroon bo-op die metaalmaskerlaag te definieer. Vervolgens het ons die EB-weerstandpatroon na die metaalmaskerlaag oorgedra via droë-etsing. Daarna is die LToI-golfgeleierkern gevorm deur middel van elektronsiklotronresonansie (ECR) plasma-etsing. Laastens is die metaalmaskerlaag verwyder deur 'n nat proses, en 'n SiO2-oorlaag is neergelê deur middel van plasma-versterkte chemiese dampafsetting. Figuur 1 (d) toon die skematiese dwarssnit van die LToI-golfgeleier. Die totale kernhoogte, plaathoogte en kernwydte is onderskeidelik 200 nm, 100 nm en 1000 nm. Let daarop dat die kernwydte tot 3 µm by die golfgeleierrand uitbrei vir optiese veselkoppeling.
Figuur 1 (e) toon die berekende optiese intensiteitsverspreiding van die fundamentele transversale elektriese (TE) modus teen 1550 nm. Figuur 1 (f) toon die skandeerelektronmikroskoop (SEM) beeld van die LToI golfgeleierkern voor die afsetting van die SiO2-oorlaag.
Golfgeleier Eienskappe:Ons het eers die lineêre verlieseienskappe geëvalueer deur TE-gepolariseerde lig van 'n 1550 nm golflengte versterkte spontane emissiebron in LToI-golfgidse van verskillende lengtes in te voer. Die voortplantingsverlies is verkry vanaf die helling van die verhouding tussen golfgidslengte en transmissie by elke golflengte. Die gemete voortplantingsverliese was onderskeidelik 0.32, 0.28 en 0.26 dB/cm by 1530, 1550 en 1570 nm, soos getoon in Figuur 2 (a). Die vervaardigde LToI-golfgidse het vergelykbare lae-verliesprestasie as die nuutste LNoI-golfgidse vertoon [10].
Vervolgens het ons die χ(3) nie-lineariteit geassesseer deur die golflengte-omskakeling wat deur 'n viergolf-mengproses gegenereer word. Ons het 'n kontinue golfpomplig teen 1550.0 nm en 'n seinlig teen 1550.6 nm in 'n 12 mm lange golfgeleier ingevoer. Soos getoon in Figuur 2 (b), het die fase-gekonjugeerde (ledige) liggolfseinintensiteit toegeneem met toenemende insetkrag. Die insetsel in Figuur 2 (b) toon die tipiese uitsetspektrum van die viergolf-menging. Uit die verband tussen insetkrag en omskakelingsdoeltreffendheid, het ons die nie-lineêre parameter (γ) geskat op ongeveer 11 W^-1m.
Figuur 3.(a) Mikroskoopbeeld van die vervaardigde ringresonator. (b) Transmissiespektra van die ringresonator met verskeie gapingparameters. (c) Gemete en Lorentziaan-gepaste transmissiespektrum van die ringresonator met 'n gaping van 1000 nm.
Vervolgens het ons 'n LToI-ringresonator vervaardig en die eienskappe daarvan geëvalueer. Figuur 3 (a) toon die optiese mikroskoopbeeld van die vervaardigde ringresonator. Die ringresonator beskik oor 'n "renbaan"-konfigurasie, bestaande uit 'n geboë gebied met 'n radius van 100 µm en 'n reguit gebied van 100 µm in lengte. Die gapingwydte tussen die ring en die busgolfgeleierkern wissel in inkremente van 200 nm, spesifiek by 800, 1000 en 1200 nm. Figuur 3 (b) toon die transmissiespektra vir elke gaping, wat aandui dat die uitsterwingsverhouding verander met die gapinggrootte. Uit hierdie spektra het ons bepaal dat die 1000 nm-gaping byna kritieke koppeltoestande bied, aangesien dit die hoogste uitsterwingsverhouding van -26 dB vertoon.
Deur die krities gekoppelde resonator te gebruik, het ons die kwaliteitsfaktor (Q-faktor) beraam deur die lineêre transmissiespektrum met 'n Lorentziaanse kurwe te pas, wat 'n interne Q-faktor van 1.1 miljoen verkry het, soos getoon in Figuur 3 (c). Na ons wete is dit die eerste demonstrasie van 'n golfgeleier-gekoppelde LToI-ringresonator. Dit is opmerklik dat die Q-faktorwaarde wat ons behaal het, aansienlik hoër is as dié van vesel-gekoppelde LToI-mikroskyfresonators [9].
Gevolgtrekking:Ons het 'n LToI-golfleier ontwikkel met 'n verlies van 0.28 dB/cm teen 1550 nm en 'n ringresonator Q-faktor van 1.1 miljoen. Die prestasie wat verkry is, is vergelykbaar met dié van die nuutste lae-verlies LNoI-golfleiers. Daarbenewens het ons die χ(3) nie-lineariteit van die vervaardigde LToI-golfleier vir nie-lineêre toepassings op die skyfie ondersoek.
Plasingstyd: 20 Nov 2024