Abstrak:Kami telah mengembangkan pandu gelombang litium tantalat berbasis isolator 1550 nm dengan kerugian 0,28 dB/cm dan faktor kualitas resonator cincin 1,1 juta. Penerapan nonlinier χ(3) dalam fotonik nonlinier telah dipelajari. Keunggulan litium niobat pada isolator (LNoI), yang menunjukkan sifat nonlinier χ(2) dan χ(3) yang sangat baik beserta pembatasan optik yang kuat karena struktur "isolator-on"-nya, telah menghasilkan kemajuan signifikan dalam teknologi pandu gelombang untuk modulator ultracepat dan fotonik nonlinier terintegrasi [1-3]. Selain LN, litium tantalat (LT) juga telah diteliti sebagai bahan fotonik nonlinier. Dibandingkan dengan LN, LT memiliki ambang kerusakan optik yang lebih tinggi dan jendela transparansi optik yang lebih lebar [4, 5], meskipun parameter optiknya, seperti indeks bias dan koefisien nonlinier, serupa dengan LN [6, 7]. Dengan demikian, LToI menonjol sebagai bahan kandidat kuat lainnya untuk aplikasi fotonik nonlinier daya optik tinggi. Selain itu, LToI menjadi bahan utama untuk perangkat filter gelombang akustik permukaan (SAW), yang dapat diaplikasikan dalam teknologi seluler dan nirkabel berkecepatan tinggi. Dalam konteks ini, wafer LToI dapat menjadi bahan yang lebih umum untuk aplikasi fotonik. Namun, hingga saat ini, hanya beberapa perangkat fotonik berbasis LToI yang telah dilaporkan, seperti resonator mikrodisk [8] dan penggeser fase elektro-optik [9]. Dalam makalah ini, kami menyajikan pandu gelombang LToI dengan rugi-rugi rendah dan aplikasinya dalam resonator cincin. Selain itu, kami menyediakan karakteristik nonlinier χ(3) dari pandu gelombang LToI.
Poin Utama:
• Menawarkan wafer LToI berukuran 4 inci hingga 6 inci, wafer litium tantalat lapisan tipis, dengan ketebalan lapisan atas berkisar antara 100 nm hingga 1500 nm, memanfaatkan teknologi dalam negeri dan proses yang matang.
• SINOI: Wafer film tipis silikon nitrida dengan kehilangan sangat rendah.
• SICOI: Substrat film tipis silikon karbida semi-isolasi dengan kemurnian tinggi untuk sirkuit terpadu fotonik silikon karbida.
• LTOI: Pesaing kuat litium niobat, wafer litium tantalat lapisan tipis.
• LNOI: LNOI 8 inci yang mendukung produksi massal produk litium niobat lapisan tipis berskala besar.
Pembuatan pada Pemandu Gelombang Isolator:Dalam penelitian ini, kami menggunakan wafer LToI berukuran 4 inci. Lapisan LT teratas adalah substrat LT komersial dengan potongan Y yang diputar 42° untuk perangkat SAW, yang secara langsung terikat pada substrat Si dengan lapisan oksida termal setebal 3 µm, menggunakan proses pemotongan cerdas. Gambar 1(a) menunjukkan tampilan atas wafer LToI, dengan ketebalan lapisan LT teratas 200 nm. Kami menilai kekasaran permukaan lapisan LT teratas menggunakan mikroskopi gaya atom (AFM).
Gambar 1.(a) Tampilan atas wafer LToI, (b) Gambar AFM permukaan lapisan LT atas, (c) Gambar PFM permukaan lapisan LT atas, (d) Penampang skematik pemandu gelombang LToI, (e) Profil mode TE fundamental yang dihitung, dan (f) Gambar SEM inti pemandu gelombang LToI sebelum pengendapan lapisan atas SiO2. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 (b), kekasaran permukaan kurang dari 1 nm, dan tidak ada garis goresan yang diamati. Selain itu, kami memeriksa keadaan polarisasi lapisan LT atas menggunakan mikroskop gaya respons piezoelektrik (PFM), seperti yang digambarkan pada Gambar 1 (c). Kami mengonfirmasi bahwa polarisasi seragam dipertahankan bahkan setelah proses pengikatan.
Dengan menggunakan substrat LToI ini, kami membuat pandu gelombang sebagai berikut. Pertama, lapisan masker logam diendapkan untuk etsa kering LT berikutnya. Kemudian, litografi berkas elektron (EB) dilakukan untuk menentukan pola inti pandu gelombang di atas lapisan masker logam. Selanjutnya, kami mentransfer pola resist EB ke lapisan masker logam melalui etsa kering. Setelah itu, inti pandu gelombang LToI dibentuk menggunakan etsa plasma resonansi siklotron elektron (ECR). Akhirnya, lapisan masker logam dihilangkan melalui proses basah, dan lapisan atas SiO2 diendapkan menggunakan deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma. Gambar 1 (d) menunjukkan penampang skematis pandu gelombang LToI. Tinggi inti total, tinggi pelat, dan lebar inti masing-masing adalah 200 nm, 100 nm, dan 1000 nm. Perhatikan bahwa lebar inti mengembang hingga 3 µm di tepi pandu gelombang untuk kopling serat optik.
Gambar 1 (e) menampilkan distribusi intensitas optik yang dihitung dari mode transversal listrik (TE) fundamental pada 1550 nm. Gambar 1 (f) menunjukkan gambar mikroskop elektron pemindaian (SEM) dari inti pandu gelombang LToI sebelum pengendapan lapisan SiO2.
Karakteristik pemandu gelombang:Kami pertama kali mengevaluasi karakteristik kerugian linier dengan memasukkan cahaya terpolarisasi TE dari sumber emisi spontan yang diperkuat dengan panjang gelombang 1550 nm ke dalam pandu gelombang LToI dengan panjang yang bervariasi. Kerugian perambatan diperoleh dari kemiringan hubungan antara panjang pandu gelombang dan transmisi pada setiap panjang gelombang. Kerugian perambatan yang diukur adalah 0,32, 0,28, dan 0,26 dB/cm pada 1530, 1550, dan 1570 nm, masing-masing, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (a). Pandu gelombang LToI yang dibuat menunjukkan kinerja kerugian rendah yang sebanding dengan pandu gelombang LNoI yang canggih [10].
Selanjutnya, kami menilai nonlinieritas χ(3) melalui konversi panjang gelombang yang dihasilkan oleh proses pencampuran empat gelombang. Kami memasukkan lampu pompa gelombang kontinu pada 1550,0 nm dan lampu sinyal pada 1550,6 nm ke dalam pemandu gelombang sepanjang 12 mm. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (b), intensitas sinyal gelombang cahaya fase-konjugat (idler) meningkat seiring dengan peningkatan daya masukan. Sisipan pada Gambar 2 (b) menunjukkan spektrum keluaran khas dari pencampuran empat gelombang. Dari hubungan antara daya masukan dan efisiensi konversi, kami memperkirakan parameter nonlinier (γ) menjadi sekitar 11 W^-1m.
Gambar 3.(a) Gambar mikroskop resonator cincin yang difabrikasi. (b) Spektrum transmisi resonator cincin dengan berbagai parameter celah. (c) Spektrum transmisi resonator cincin yang diukur dan disesuaikan Lorentzian dengan celah 1000 nm.
Selanjutnya, kami membuat resonator cincin LToI dan mengevaluasi karakteristiknya. Gambar 3 (a) menunjukkan gambar mikroskop optik dari resonator cincin yang dibuat. Resonator cincin memiliki konfigurasi "racetrack", yang terdiri dari daerah lengkung dengan radius 100 µm dan daerah lurus sepanjang 100 µm. Lebar celah antara cincin dan inti pemandu gelombang bus bervariasi dalam kelipatan 200 nm, khususnya pada 800, 1000, dan 1200 nm. Gambar 3 (b) menampilkan spektrum transmisi untuk setiap celah, yang menunjukkan bahwa rasio pemadaman berubah seiring dengan ukuran celah. Dari spektrum ini, kami menentukan bahwa celah 1000 nm memberikan kondisi kopling yang hampir kritis, karena menunjukkan rasio pemadaman tertinggi sebesar -26 dB.
Dengan menggunakan resonator yang digandeng secara kritis, kami memperkirakan faktor kualitas (faktor Q) dengan cara mencocokkan spektrum transmisi linier dengan kurva Lorentzian, sehingga memperoleh faktor Q internal sebesar 1,1 juta, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3 (c). Sejauh pengetahuan kami, ini adalah demonstrasi pertama resonator cincin LToI yang digandeng pandu gelombang. Khususnya, nilai faktor Q yang kami capai jauh lebih tinggi daripada resonator mikrodisk LToI yang digandeng serat [9].
Kesimpulan:Kami mengembangkan pemandu gelombang LToI dengan kerugian 0,28 dB/cm pada 1550 nm dan faktor Q resonator cincin sebesar 1,1 juta. Kinerja yang diperoleh sebanding dengan pemandu gelombang LNoI dengan kerugian rendah yang canggih. Selain itu, kami menyelidiki nonlinieritas χ(3) dari pemandu gelombang LToI yang diproduksi untuk aplikasi nonlinier pada chip.
Waktu posting: 20-Nov-2024