Апстракт:Развивме брановод од литиум танталат од 1550 nm базиран на изолатор со загуба од 0,28 dB/cm и фактор на квалитет на прстенест резонатор од 1,1 милион. Проучена е примената на χ(3) нелинеарност во нелинеарната фотоника. Предностите на литиум ниобатот на изолатор (LNoI), кој покажува одлични χ(2) и χ(3) нелинеарни својства, заедно со силно оптичко ограничување поради неговата структура „на изолатор“, доведоа до значителен напредок во технологијата на брановоди за ултрабрзи модулатори и интегрирана нелинеарна фотоника [1-3]. Покрај LN, и литиум танталатот (LT) е исто така испитан 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 уште еден силен кандидат материјал за нелинеарни фотонски апликации со висока оптичка моќност. Покрај тоа, LToI станува примарен материјал за уреди за филтрирање на површински акустични бранови (SAW), применливи во брзите мобилни и безжични технологии. Во овој контекст, LToI плочките може да станат почести материјали за фотонски апликации. Сепак, до денес, се пријавени само неколку фотонски уреди базирани на LToI, како што се микродиск резонатори [8] и електрооптички фазни поместувачи [9]. Во овој труд, презентираме LToI брановоден систем со ниски загуби и неговата примена во прстенест резонатор. Дополнително, ги даваме χ(3) нелинеарните карактеристики на LToI брановодот.
Клучни точки:
• Нудиме LToI плочки од 4 до 6 инчи, тенкофилмски литиум танталатни плочки, со дебелина на горниот слој од 100 nm до 1500 nm, користејќи домашна технологија и зрели процеси.
• SINOI: Тенкослојни плочи од силициум нитрид со ултра ниски загуби.
• SICOI: Високочистотини полуизолациски тенки подлоги од силициум карбид за фотонски интегрирани кола од силициум карбид.
• LTOI: Силен конкурент на литиум ниобат, тенкофилмни литиум танталатни плочки.
• LNOI: 8-инчен LNOI кој поддржува масовно производство на производи од тенкофилмски литиум ниобат во поголем обем.
Производство на изолаторски брановоди:Во оваа студија, користевме LToI плочки од 4 инчи. Горниот LT слој е комерцијална LT подлога со Y-сечење ротирана под агол од 42° за SAW уреди, која е директно врзана за Si подлога со слој од термички оксид со дебелина од 3 µm, користејќи паметен процес на сечење. Слика 1(а) покажува поглед одозгора на LToI плочките, со дебелина на горниот LT слој од 200 nm. Ја проценивме површинската грубост на горниот LT слој користејќи атомска силова микроскопија (AFM).
Слика 1.(a) Поглед од горе на LToI плочката, (b) AFM слика на површината на горниот LT слој, (c) PFM слика на површината на горниот LT слој, (d) Шематски пресек на LToI брановодот, (e) Пресметан фундаментален TE профил на мод и (f) SEM слика на јадрото на LToI брановодот пред таложење на преклопниот слој од SiO2. Како што е прикажано на Слика 1 (b), површинската грубост е помала од 1 nm и не се забележани линии на гребење. Дополнително, ја испитавме состојбата на поларизација на горниот LT слој користејќи пиезоелектрична микроскопија со сила на одговор (PFM), како што е прикажано на Слика 1 (c). Потврдивме дека униформната поларизација е одржана дури и по процесот на поврзување.
Користејќи го овој LToI супстрат, го изработивме брановодот на следниов начин. Прво, беше нанесен слој од метална маска за последователно суво јорење на LT. Потоа, беше извршена литографија со електронски зрак (EB) за да се дефинира шемата на јадрото на брановодот врз слојот од метална маска. Потоа, ја префрливме шемата на отпорник EB на слојот од метална маска преку суво јорење. После тоа, јадрото на брановодот LToI беше формирано со употреба на плазма јорење со електронска циклотронска резонанца (ECR). Конечно, слојот од метална маска беше отстранет преку влажен процес, а преклопен слој од SiO2 беше нанесен со употреба на хемиско таложење на пареа подобрено со плазма. Слика 1 (d) 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. Забележете дека ширината на јадрото се зголемува до 3 µm на работ на брановодот за спојување на оптички влакна.
Слика 1 (e) ја прикажува пресметаната распределба на оптичкиот интензитет на фундаменталниот трансверзален електричен (TE) мод на 1550 nm. Слика 1 (f) ја прикажува сликата од јадрото на брановодот LToI од скенирачкиот електронски микроскоп (SEM) пред таложењето на преклопниот слој од SiO2.
Карактеристики на брановодот:Прво ги евалуиравме карактеристиките на линеарните загуби со внесување на TE-поларизирана светлина од извор на спонтана емисија со засилена бранова должина од 1550 nm во LToI брановоди со различна должина. Загубата при ширење беше добиена од наклонот на односот помеѓу должината на брановодот и преносот на секоја бранова должина. Измерените загуби при 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). Изработените LToI брановоди покажаа споредливи перформанси со ниски загуби со најсовремените LNoI брановоди [10].
Потоа, ја проценивме χ(3) нелинеарноста преку конверзија на бранова должина генерирана со процес на мешање со четири бранови. Внесовме континуирана бранова пумпа светлина на 1550,0 nm и сигнална светлина на 1550,6 nm во брановод долг 12 mm. Како што е прикажано на Слика 2 (б), интензитетот на сигналот на фазно-конјугираниот (мрзлив) светлосен бран се зголеми со зголемување на влезната моќност. Вметнатото на Слика 2 (б) го покажува типичниот излезен спектар на мешањето со четири бранови. Од односот помеѓу влезната моќност и ефикасноста на конверзијата, проценивме дека нелинеарниот параметар (γ) е приближно 11 W^-1m.
Слика 3.(a) Микроскопска слика од изработениот прстенест резонатор. (b) Спектри на трансмисија на прстенестиот резонатор со различни параметри на јазот. (c) Измерен и Лоренцов-прилагоден спектар на трансмисија на прстенестиот резонатор со јаз од 1000 nm.
Потоа, изработивме LToI прстенест резонатор и ги оценивме неговите карактеристики. Слика 3 (а) ја прикажува сликата од оптички микроскоп на изработениот прстенест резонатор. Прстенестиот резонатор има конфигурација на „тркачка патека“, која се состои од закривен регион со радиус од 100 µm и прав регион со должина од 100 µm. Ширината на јазот помеѓу прстенот и јадрото на магистралниот брановод варира во интервали од 200 nm, поточно на 800, 1000 и 1200 nm. Слика 3 (б) ги прикажува спектрите на пренос за секој јаз, што укажува дека односот на екстинкција се менува со големината на јазот. Од овие спектри, утврдивме дека јазот од 1000 nm обезбедува речиси критични услови за спојување, бидејќи покажува највисок однос на екстинкција од -26 dB.
Користејќи го критично 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 милион, како што е прикажано на Слика 3 (в). Според нашите сознанија, ова е прва демонстрација на прстенест LToI резонатор споен со брановоди. Имено, вредноста на Q факторот што ја постигнавме е значително повисока од онаа на LToI микродиск резонатори споени со влакна [9].
Заклучок:Развивме LToI брановоди со загуба од 0,28 dB/cm на 1550 nm и Q фактор на прстенест резонатор од 1,1 милион. Добиените перформанси се споредливи со оние на најсовремените LNoI брановоди со ниски загуби. Дополнително, ја испитавме χ(3) нелинеарноста на произведениот LToI брановоди за нелинеарни апликации на чип.
Време на објавување: 20 ноември 2024 година