4-calowy 6-calowy płytkowiec litowo-tantalat LiTaO3 PIC - niskoprzepustowe przewodniki fal litowo-tantalatowe oparte na izolatorach do zintegrowanej fotoniki nieliniowej

PodsumowanieOpracowaliśmy przewodnik fal tantalatu litu oparty na izolatorze 1550 nm z utratą 0,28 dB/cm i współczynnikiem jakości rezonatora pierścieniowego 1,1 miliona.Badanie zastosowania nieliniowości w fotonice nieliniowejZalety niobatu litu na izolatorze (LNoI), który wykazuje doskonałe właściwości nieliniowe χ (2) i χ (3) wraz z silnym zamknięciem optycznym ze względu na swoją strukturę "izolator-on",doprowadziły do znaczących postępów w technologii przewodników fal w zakresie ultralopatych modulatorów i zintegrowanej fotoniki nieliniowej [1-3]Oprócz LN badano również tantalat litu (LT) jako nieliniowy materiał fotoniczny.LT ma wyższy próg uszkodzenia optycznego i szersze okno przejrzystości optycznej [4]., 5], chociaż jego parametry optyczne, takie jak wskaźnik załamania i współczynniki nieliniowe, są podobne do LN [6, 7].LToI wyróżnia się jako kolejny silny materiał kandydujący do zastosowań fotonicznych nieliniowych o wysokiej mocy optycznejPonadto LToI staje się podstawowym materiałem do urządzeń filtrujących fale akustyczne powierzchniowe (SAW), stosowanych w szybkich technologiach mobilnych i bezprzewodowych.Płytki LToI mogą stać się bardziej powszechnymi materiałami do zastosowań fotonicznychJednakże do tej pory zgłoszono tylko kilka urządzeń fotonicznych opartych na LToI, takich jak rezonatory mikrodysku [8] i elektrooptyczne zmiany fazy [9].Przedstawiamy przewodnik fal LToI o niskich stratach i jego zastosowanie w rezonatorze pierścieniowymDodatkowo przedstawiamy nieliniowe właściwości przewodnika fal LToI.
 

Kluczowe punkty:

• Oferujemy płytki LToI o grubości od 4 do 6 cali, płytki tantalatu litu o cienkiej warstwie, o grubości warstwy górnej od 100 nm do 1500 nm, wykorzystując krajową technologię i dojrzałe procesy.
• SINOI: ultra nisko stratne płytki z azotkiem krzemu.
• SICOI: Wysokiej czystości półizolacyjne substraty z cienkiej folii węglika krzemu do fotonicznych układów scalonych węglika krzemu.
• LTOI: silny konkurent niobatu litowego, płytek tantalatu litowego o cienkiej warstwie.
• LNOI: 8-calowy LNOI wspierający masową produkcję produktów z niobatem litu o cienkiej warstwie na większą skalę.

Wytwarzanie na przewodnikach fal izolacyjnych:W tym badaniu użyliśmy 4-calowych płytek LToI. Górna warstwa LT to komercyjny 42° obrotowy Y-cut LT podłoża dla urządzeń SAW,który jest bezpośrednio połączony z substratem Si warstwą tlenku cieplnego o grubości 3 μmNa rysunku 1 (a) przedstawiono widok płytki LToI z góry, z grubością warstwy LT 200 nm.Oceniliśmy szorstkość powierzchni górnej warstwy LT za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM).

Rysunek 1.(a) widok z góry płytki LToI, (b) obraz AFM powierzchni górnej warstwy LT, (c) obraz PFM powierzchni górnej warstwy LT, (d) schematyczny przekrój przewodnika fal LToI,e) Obliczony podstawowy profil trybu TE, oraz (f) obraz SEM rdzenia przewodnika fal LToI przed osadzeniem warstwy SiO2.Zbadaliśmy stan polaryzacji górnej warstwy LT za pomocą mikroskopii siły piezoelektrycznej (PFM)Potwierdziliśmy, że jednolita polaryzacja była utrzymywana nawet po procesie wiązania.
 

Wykorzystując ten podłoże LToI, wytworzyliśmy przewodnik fal w następujący sposób.wykonano litografię wiązki elektronów (EB) w celu określenia wzoru rdzenia przewodnika fal na szczycie metalowej warstwy maskiNastępnie przeniesiono wzór oporu EB na warstwę maski metalowej za pomocą suchego etsu.warstwa metalowej maski została usunięta w procesie mokrymNa rysunku 1 (d) przedstawiono schematyczny przekrój przewodnika fal LToI.a szerokość rdzenia wynosi 200 nmNależy zauważyć, że szerokość rdzenia rozszerza się do 3 μm na krawędzi przewodnika fal w przypadku sprzężenia światłowodowego.
 

Na rysunku 1 lit. e) przedstawiono obliczone rozkład natężenia optycznego podstawowego przejściowego trybu elektrycznego (TE) w zakresie 1550 nm.Na rysunku 1 (f) przedstawiono obraz mikroskopu elektronicznego skanującego (SEM) rdzenia przewodnika fal LToI przed osadzeniem warstwy powierzchniowej SiO2.
 

Charakterystyka przewodnika fal:Najpierw oceniliśmy charakterystykę strat liniowych poprzez wprowadzenie światła spolaryzowanego TE z wzmocnionego źródła emisyjnego spontanicznego o długości fali 1550 nm do przewodników fal LToI o różnej długości.Strata rozprzestrzeniania została uzyskana z nachylenia zależności między długością przewodnika fali a transmisją na każdej długości faliZmierzone straty rozprzestrzeniania wynosiły 0.32, 0.28, oraz 0,26 dB/cm odpowiednio przy 1530, 1550 i 1570 nm, jak pokazano na rysunku 2 lit. a). Wytworzone przewodniki fal LToI wykazywały porównywalne osiągi niskiej straty do najnowocześniejszych przewodników fal LNoI [10].

Następnie oceniliśmy nieliniowość χ(3) poprzez konwersję długości fali generowaną przez proces mieszania czterech fal. Wprowadzamy światło pompy fal ciągłych w 1550,0 nm i światło sygnałowe w 1550.6 nm do 12 mm długości przewodnika falJak pokazano na rysunku 2 (b), intensywność sygnału fali światła fazowo-konjugowanego (idler) wzrastała wraz ze wzrostem mocy wejściowej.Na rysunku 2 (b) przedstawiono typowy widmo wyjściowe mieszania czterofalowegoZ relacji między mocą wejściową a wydajnością konwersji oszacowaliśmy, że parametr nieliniowy (γ) wynosi około 11 W^-1m.
 

Rysunek 3.(a) Mikroskopiczny obraz wytworzonego rezonatora pierścieniowego. (b) Widmy transmisji rezonatora pierścieniowego z różnymi parametrami luk.(c) Wymierzone i zamontowane w Lorentzie widmo transmisji rezonatora pierścieniowego z przerwą 1000 nm.
 

Następnie wyprodukowaliśmy rezonator pierścieniowy LToI i oceniliśmy jego właściwości.Rezonator pierścieniowy posiada konfigurację "pościgową", składający się z zakrzywionego obszaru o promieniu 100 μm i prostego obszaru o długości 100 μm. Szerokość szczeliny między pierścieniem a rdzeniem przewodnika fali przenośnika zmienia się w stopniach 200 nm,Szczególnie w 800Na rysunku 3 (b) przedstawiono widma transmisji dla każdej luki, co wskazuje, że współczynnik zaniku zmienia się w zależności od wielkości luki.Ustaliliśmy, że 1000 nm przepaść zapewnia prawie krytyczne warunki sprzężenia, ponieważ wykazuje najwyższy współczynnik zaniku wynoszący -26 dB.
 

Używając rezonatora o krytycznym sprzężeniu, oszacowaliśmy współczynnik jakości (czynnik Q) poprzez dopasowanie liniowego widma transmisji do krzywej Lorentza, uzyskując wewnętrzny współczynnik Q 1,1 miliona,jak pokazano na rysunku 3 lit. c)Z naszej wiedzy, to pierwsza demonstracja rezonatora pierścieniowego LToI.osiągnięta wartość czynnika Q jest znacznie wyższa niż w przypadku rezonatorów LToI z mikrofabrykami [9].

Wniosek:Opracowaliśmy przewodnik fal LToI z utratą 0,28 dB/cm przy 1550 nm i współczynnik Q rezonatora pierścienia 1,1 miliona.Uzyskana wydajność jest porównywalna z wydajnością najnowocześniejszych przewodników fal LNoI o niskiej stratziePonadto zbadano nieliniowość wyprodukowanego przewodnika fal LToI dla nieliniowych zastosowań na układzie.