Abstrak:Kami telah mengembangkan pandu gelombang litium tantalat berbasis isolator 1550 nm dengan rugi-rugi 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 serta pengurungan optik yang kuat karena struktur "isolator-on"-nya, telah menghasilkan kemajuan signifikan dalam teknologi pandu gelombang untuk modulator ultra cepat dan fotonik nonlinier terintegrasi [1-3]. Selain LN, litium tantalat (LT) juga telah diteliti sebagai material fotonik nonlinier. Dibandingkan dengan LN, LT memiliki ambang batas 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 kandidat material kuat lainnya untuk aplikasi fotonik nonlinier berdaya optik tinggi. Lebih lanjut, LToI menjadi material 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 material 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 fasa elektro-optik [9]. Dalam makalah ini, kami menyajikan pandu gelombang LToI dengan rugi-rugi rendah dan aplikasinya dalam resonator cincin. Selain itu, kami juga menyajikan karakteristik nonlinier χ(3) dari pandu gelombang LToI.
Poin-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 niobate lapisan tipis berskala lebih besar.
Pembuatan pada Pemandu Gelombang Isolator:Dalam studi ini, kami menggunakan wafer LToI berukuran 4 inci. Lapisan LT teratas adalah substrat LT komersial dengan rotasi 42° dan potongan-Y untuk perangkat SAW, yang terikat langsung ke 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 mikroskop gaya atom (AFM).
Gambar 1.(a) Tampak atas wafer LToI, (b) Citra AFM permukaan lapisan LT teratas, (c) Citra PFM permukaan lapisan LT teratas, (d) Skema penampang melintang pandu gelombang LToI, (e) Profil mode TE fundamental terhitung, dan (f) Citra SEM inti pandu gelombang LToI sebelum pengendapan lapisan atas SiO2. Seperti ditunjukkan pada Gambar 1 (b), kekasaran permukaan kurang dari 1 nm, dan tidak ada garis goresan yang teramati. Selain itu, kami memeriksa keadaan polarisasi lapisan LT teratas menggunakan mikroskop gaya respons piezoelektrik (PFM), seperti yang digambarkan pada Gambar 1 (c). Kami mengonfirmasi bahwa polarisasi seragam tetap terjaga bahkan setelah proses pengikatan.
Dengan menggunakan substrat LToI ini, kami membuat pandu gelombang sebagai berikut. Pertama, lapisan masker logam diendapkan untuk proses etsa kering LT selanjutnya. 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). Terakhir, 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 terhitung dari mode transversal listrik (TE) fundamental pada 1550 nm. Gambar 1 (f) menunjukkan citra mikroskop elektron pemindaian (SEM) inti pandu gelombang LToI sebelum pengendapan lapisan atas SiO2.
Karakteristik Pandu Gelombang:Kami pertama-tama mengevaluasi karakteristik rugi-rugi linear 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. Rugi-rugi propagasi diperoleh dari kemiringan hubungan antara panjang pandu gelombang dan transmisi pada setiap panjang gelombang. Rugi-rugi propagasi yang terukur adalah 0,32, 0,28, dan 0,26 dB/cm masing-masing pada 1530, 1550, dan 1570 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (a). Pandu gelombang LToI yang difabrikasi menunjukkan kinerja rugi-rugi rendah yang sebanding dengan pandu gelombang LNoI mutakhir [10].
Selanjutnya, kami mengkaji 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 pandu gelombang sepanjang 12 mm. Seperti 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 tipikal dari pencampuran empat gelombang. Berdasarkan hubungan antara daya masukan dan efisiensi konversi, kami memperkirakan parameter nonlinier (γ) sekitar 11 W^-1m.
Gambar 3.(a) Gambar mikroskop resonator cincin yang dibuat. (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 telah dibuat. Resonator cincin ini memiliki konfigurasi "racetrack", yang terdiri dari daerah lengkung dengan radius 100 µm dan daerah lurus dengan panjang 100 µm. Lebar celah antara cincin dan inti pandu 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 ekstingsi berubah seiring dengan ukuran celah. Dari spektrum ini, kami menentukan bahwa celah 1000 nm memberikan kondisi kopling yang hampir kritis, karena menunjukkan rasio ekstingsi tertinggi sebesar -26 dB.
Dengan menggunakan resonator yang terhubung secara kritis, kami memperkirakan faktor kualitas (faktor Q) dengan mencocokkan spektrum transmisi linear dengan kurva Lorentzian, sehingga diperoleh faktor Q internal sebesar 1,1 juta, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3 (c). Sepengetahuan kami, ini merupakan demonstrasi pertama resonator cincin LToI yang terhubung dengan pandu gelombang. Perlu dicatat, nilai faktor Q yang kami capai secara signifikan lebih tinggi daripada resonator mikrodisk LToI yang terhubung dengan serat optik [9].
Kesimpulan:Kami mengembangkan pandu gelombang LToI dengan rugi-rugi 0,28 dB/cm pada 1550 nm dan faktor Q resonator cincin sebesar 1,1 juta. Performa yang diperoleh sebanding dengan pandu gelombang LNoI rugi-rugi rendah yang mutakhir. Selain itu, kami menyelidiki nonlinieritas χ(3) pandu gelombang LToI yang diproduksi untuk aplikasi nonlinier on-chip.
Waktu posting: 20-Nov-2024