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-on" struktuur, het gelei tot aansienlike vooruitgang in golfleier tegnologie vir ultravinnige modulators en geïntegreerde nie-lineêre fotonika [1-3]. Benewens LN, is litiumtantalaat (LT) ook as 'n nie-lineêre fotoniese materiaal ondersoek. 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]. LToI staan dus uit as nog 'n sterk kandidaatmateriaal vir nie-lineêre fotoniese toepassings met 'n hoë optiese krag. Boonop word LToI 'n primêre materiaal vir oppervlak akoestiese golf (SAW) filtertoestelle, van toepassing op hoëspoed mobiele en draadlose tegnologieë. In hierdie konteks kan LToI-wafers meer algemene materiale vir fotoniese toepassings word. Daar is egter tot op hede slegs enkele fotoniese toestelle gebaseer op LToI aangemeld, soos mikroskyfresonators [8] en elektro-optiese faseverskuiwings [9]. In hierdie vraestel 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:
• Bied 4-duim tot 6-duim LToI-wafers, dun-film litiumtantalaat-wafels, met boonste laagdiktes wat wissel van 100 nm tot 1500 nm, deur gebruik te maak van huishoudelike tegnologie en volwasse prosesse.
• SINOI: Ultra-lae verlies silikonnitried dun-film wafers.
• SICOI: Hoë-suiwer semi-isolerende silikonkarbied dunfilm substrate vir silikonkarbied fotoniese geïntegreerde stroombane.
• LTOI: 'n Sterk mededinger vir litiumniobaat, dunfilm litiumtantalaat-wafels.
• LNOI: 8-duim LNOI wat die massaproduksie van groterskaalse dunfilm-litiumniobaatprodukte ondersteun.
Vervaardiging op isolatorgolfgeleiders:In hierdie studie het ons 4-duim LToI-wafers gebruik. Die boonste LT-laag is 'n kommersiële 42°-gedraaide Y-cut LT-substraat vir SAW-toestelle, wat direk aan 'n Si-substraat gebind is met 'n 3 µm dik termiese oksiedlaag, deur 'n slim snyproses te gebruik. Figuur 1(a) toon 'n boaansig van die LToI-wafer, met die boonste LT-laagdikte van 200 nm. Ons het die oppervlakruwheid van die boonste LT-laag beoordeel met behulp van atoomkragmikroskopie (AFM).
Figuur 1.(a) Boaansig 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 deursnee van die LToI-golfleier, (e) Berekende fundamentele TE-modusprofiel, en (f) SEM-beeld van die LToI-golfleierkern voor SiO2-oorlaagafsetting. Soos getoon in Figuur 1 (b), is die oppervlakruwheid minder as 1 nm, en geen kraplyne is waargeneem nie. Daarbenewens het ons die polarisasietoestand van die boonste LT-laag ondersoek met behulp van piëzo-elektriese responskragmikroskopie (PFM), soos uitgebeeld in Figuur 1 (c). Ons het bevestig dat eenvormige polarisasie gehandhaaf is selfs na die bindingsproses.
Deur hierdie LToI-substraat te gebruik, het ons die golfleier soos volg vervaardig. Eerstens is 'n metaalmaskerlaag neergelê vir daaropvolgende droë ets van die LT. Daarna is elektronstraal (EB) litografie uitgevoer om die golfleierkernpatroon bo-op die metaalmaskerlaag te definieer. Vervolgens het ons die EB-weerstandpatroon na die metaalmaskerlaag oorgedra via droë ets. Daarna is die LToI-golfleierkern gevorm met behulp van elektronsiklotronresonansie (ECR) plasma-ets. Laastens is die metaalmaskerlaag deur 'n nat proses verwyder, en 'n SiO2-oorlaag is neergelê met behulp van plasma-versterkte chemiese dampneerslag. Figuur 1 (d) toon die skematiese deursnee van die LToI-golfleier. Die totale kernhoogte, plaathoogte en kernwydte is onderskeidelik 200 nm, 100 nm en 1000 nm. Let daarop dat die kernwydte uitbrei tot 3 µm by die golfleierrand vir optiese veselkoppeling.
Figuur 1 (e) vertoon die berekende optiese intensiteit verspreiding van die fundamentele transversale elektriese (TE) modus by 1550 nm. Figuur 1 (f) toon die skandeerelektronmikroskoop (SEM) beeld van die LToI-golfleierkern voor die afsetting van die SiO2-oorlaag.
Golfleier kenmerke:Ons het eers die lineêre verlieseienskappe geëvalueer deur TE-gepolariseerde lig vanaf 'n 1550 nm golflengte versterkte spontane emissiebron in LToI golfleiers van verskillende lengtes in te voer. Die voortplantingsverlies is verkry vanaf die helling van die verband tussen golfleierlengte en transmissie by elke golflengte. Die gemete voortplantingsverliese was 0.32, 0.28 en 0.26 dB/cm by 1530, 1550 en 1570 nm, onderskeidelik, soos getoon in Figuur 2 (a). Die vervaardigde LToI-golfleiers het vergelykbare lae-verlies-prestasie getoon met die nuutste LNoI-golfleiers [10].
Vervolgens het ons die χ(3) nie-lineariteit beoordeel deur die golflengte-omskakeling wat deur 'n vier-golf mengproses gegenereer word. Ons voer 'n deurlopende golfpomplig by 1550.0 nm en 'n seinlig by 1550.6 nm in in 'n 12 mm lange golfleier. 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 viergolfvermenging. 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 gapingsparameters. (c) Gemete en Lorentz-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, wat bestaan uit 'n geboë gebied met 'n radius van 100 µm en 'n reguit gebied van 100 µm in lengte. Die gapingswydte tussen die ring en die busgolfleierkern wissel in inkremente van 200 nm, spesifiek by 800, 1000 en 1200 nm. Figuur 3 (b) vertoon die transmissiespektra vir elke gaping, wat aandui dat die uitwissingsverhouding verander met die gapingsgrootte. Uit hierdie spektra het ons vasgestel dat die 1000 nm gaping byna kritieke koppelingstoestande verskaf, 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 Lorentziese kromme te pas, wat 'n interne Q-faktor van 1.1 miljoen verkry, soos in Figuur 3 (c) getoon. Na ons kennis is dit die eerste demonstrasie van 'n golfleier-gekoppelde LToI-ringresonator. Die Q-faktorwaarde wat ons behaal het, is veral aansienlik hoër as dié van veselgekoppelde LToI-mikroskyfresonators [9].
Gevolgtrekking:Ons het 'n LToI-golfleier ontwikkel met 'n verlies van 0.28 dB/cm by 1550 nm en 'n ringresonator Q-faktor van 1.1 miljoen. Die werkverrigting wat verkry word, is vergelykbaar met dié van moderne lae-verlies LNoI golfleiers. Daarbenewens het ons die χ(3) nie-lineariteit van die vervaardigde LToI-golfleier vir on-chip nie-lineêre toepassings ondersoek.
Pos tyd: Nov-20-2024