Апстракт:Развивме брановодник на литиум танталат базиран на изолатор од 1550 nm со загуба од 0,28 dB/cm и фактор на квалитет на прстенест резонатор од 1,1 милиони. Проучена е примената на χ(3) нелинеарноста во нелинеарната фотоника. Предностите на литиум ниобат на изолатор (LNoI), кој покажува одлични χ(2) и χ(3) нелинеарни својства заедно со силно оптичко ограничување поради неговата структура „вклучено во изолатор“, доведоа до значителен напредок во технологијата на брановоди за ултрабрзиот модулатори и интегрирана нелинеарна фотоника [1-3]. Покрај LN, литиум танталат (LT) исто така е испитуван како нелинеарен фотонски материјал. Во споредба со LN, LT има повисок праг на оптичко оштетување и поширок прозорец на оптичка транспарентност [4, 5], иако неговите оптички параметри, како што се индексот на прекршување и нелинеарните коефициенти, се слични на оние на LN [6, 7]. Така, LToI се издвојува како друг силен кандидат материјал за нелинеарни фотонски апликации со висока оптичка моќност. Покрај тоа, LToI станува примарен материјал за уредите за филтрирање на површински акустични бранови (SAW), применливи во мобилните и безжични технологии со голема брзина. Во овој контекст, LToI обландите може да станат почести материјали за фотонски апликации. Сепак, до денес, пријавени се само неколку фотонски уреди базирани на LToI, како што се резонатори на микродиск [8] и електро-оптички фазни менувачи [9]. Во овој труд, го презентираме брановодот LToI со ниски загуби и неговата примена во прстенест резонатор. Дополнително, ги обезбедуваме χ(3) нелинеарните карактеристики на брановодот LToI.
Клучни точки:
• Нуди 4-инчни до 6-инчни LToI обланди, наполитанки со тенок филм со литиум танталат, со дебелина на горниот слој од 100 nm до 1500 nm, користејќи домашна технологија и зрели процеси.
• SINOI: Наполитанки со тенок филм со силикон нитрид со ултра ниска загуба.
• SICOI: Полуизолациски силициум карбид со висока чистота со тенок слој супстрати за фотонски интегрирани кола од силициум карбид.
• LTOI: Силен конкурент на литиум ниобат, литиум танталат наполитанки со тенок филм.
• LNOI: 8-инчен LNOI кој го поддржува масовното производство на производи од литиум ниобат со тенок слој од поголеми размери.
Производство на изолаторски брановоди:Во оваа студија, користевме 4-инчни LToI наполитанки. Горниот LT слој е комерцијална 42° ротирана Y-сечена LT подлога за уредите SAW, која е директно врзана за подлогата Si со термооксиден слој со дебелина од 3 µm, користејќи паметен процес на сечење. Слика 1(а) покажува горниот приказ на LToI нафора, со дебелина на горниот LT слој од 200 nm. Ја проценивме грубоста на површината на горниот LT слој со помош на микроскопија со атомска сила (AFM).
Слика 1.(а) Горен приказ на LToI нафора, (б) AFM слика на површината на горниот LT слој, (в) PFM слика на површината на горниот LT слој, (г) Шематски пресек на брановодот LToI, (д) Пресметан фундаментален профил на TE режим и (ѓ) SEM слика на јадрото на брановодот LToI пред таложење на прекривката на SiO2. Како што е прикажано на слика 1 (б), грубоста на површината е помала од 1 nm и не се забележани линии на гребење. Дополнително, ја испитавме состојбата на поларизација на горниот LT слој користејќи пиезоелектрична сила на одговор микроскопија (PFM), како што е прикажано на Слика 1 (в). Потврдивме дека униформа поларизација се одржува дури и по процесот на сврзување.
Користејќи го овој LToI супстрат, го фабрикувавме брановодот на следниов начин. Прво, слој од метална маска беше депониран за последователно суво гравирање на LT. Потоа, беше изведена литографија со електронски сноп (EB) за да се дефинира шаблонот на јадрото на брановоди на врвот на слојот од металната маска. Следно, ја префрливме шемата за отпорност на EB на слојот од металната маска преку суво офорт. Потоа, јадрото на брановодот LToI беше формирано со користење на плазма офорт со електронска циклотрон резонанца (ECR). Конечно, слојот од металната маска беше отстранет преку влажен процес, а слојот SiO2 беше депониран со користење на хемиско таложење на пареа засилено со плазма. Слика 1 (г) го прикажува шематскиот пресек на брановодот LToI. Вкупната висина на јадрото, висината на плочата и ширината на јадрото се 200 nm, 100 nm и 1000 nm, соодветно. Имајте предвид дека ширината на јадрото се проширува до 3 µm на работ на брановодот за спојување со оптички влакна.
Слика 1 (д) ја прикажува пресметаната оптичка распределба на интензитетот на основниот попречен електричен (ТЕ) режим на 1550 nm. Слика 1 (ѓ) ја прикажува сликата за скенирачки електронски микроскоп (SEM) на јадрото на брановодот LToI пред таложењето на преклопот SiO2.
Карактеристики на брановоди:Прво ги проценивме карактеристиките на линеарните загуби со внесување на TE-поларизирана светлина од 1550 nm бранова должина засилена спонтана емисија на извор во LToI бранови водичи со различна должина. Загубата на ширење е добиена од наклонот на односот помеѓу должината на брановодот и преносот на секоја бранова должина. Измерените загуби на ширење беа 0,32, 0,28 и 0,26 dB/cm на 1530, 1550 и 1570 nm, соодветно, како што е прикажано на слика 2 (а). Фабрикуваните бранови водичи LToI покажаа споредливи перформанси со ниски загуби со најсовремените брановоди LNoI [10].
Следно, ја проценивме χ(3) нелинеарноста преку конверзијата на брановата должина генерирана од процес на мешање со четири бранови. Внесуваме светло за пумпа за континуиран бран на 1550,0 nm и сигнално светло на 1550,6 nm во брановоден водич долг 12 mm. Како што е прикажано на слика 2 (б), интензитетот на светлосниот бран на фазен конјугат (неактивен) се зголемувал со зголемување на влезната моќност. Вметнувањето на слика 2 (б) го покажува типичниот излезен спектар на мешањето со четири бранови. Од односот помеѓу влезната моќност и ефикасноста на конверзија, го проценивме нелинеарниот параметар (γ) на приближно 11 W^-1m.
Слика 3.(а) Микроскопска слика на изработениот прстенест резонатор. (б) Спектри на пренос на прстенестиот резонатор со различни параметри на јазот. (в) Измерен и лоренцовски-определен спектар на пренос на прстенестиот резонатор со празнина од 1000 nm.
Следно, направивме резонатор на прстен LToI и ги оценивме неговите карактеристики. Слика 3 (а) ја прикажува сликата на оптичкиот микроскоп на изработениот прстенест резонатор. Резонаторот на прстенот има конфигурација на „тркачка патека“, која се состои од заоблен регион со радиус од 100 µm и правилен регион од 100 µm во должина. Ширината на јазот помеѓу прстенот и јадрото на магистралниот брановод варира во чекори од 200 nm, особено на 800, 1000 и 1200 nm. Слика 3 (б) ги прикажува преносните спектри за секој јаз, што покажува дека односот на изумирање се менува со големината на јазот. Од овие спектри, утврдивме дека јазот од 1000 nm обезбедува речиси критични услови за спојување, бидејќи го покажува највисокиот сооднос на изумирање од -26 dB.
Користејќи го критички споениот резонатор, го проценивме факторот на квалитет (Q фактор) со прилагодување на линеарниот спектар на пренос со Лоренцова крива, добивајќи внатрешен Q фактор од 1,1 милиони, како што е прикажано на слика 3 (в). Според нашите сознанија, ова е прва демонстрација на резонатор на прстен LToI поврзан со брановоди. Имено, вредноста на факторот Q што ја постигнавме е значително повисока од онаа на резонаторите на микродискови LToI поврзани со влакна [9].
Заклучок:Развивме бранововод LToI со загуба од 0,28 dB/cm на 1550 nm и прстенест резонатор Q фактор од 1,1 милиони. Добиените перформанси се споредливи со оние на најсовремените брановоди LNoI со ниски загуби. Дополнително, ја испитавме χ(3) нелинеарноста на произведениот бранововод LToI за нелинеарни апликации на чип.
Време на објавување: 20-11-2024 година