Abstrak:Kami telah mengembangkan pandu gelombang litium tantalat berbasis isolator 1550 nm dengan kerugian 0,28 dB/cm dan faktor kualitas resonator cincin sebesar 1,1 juta. Aplikasi nonlinieritas χ(3) dalam fotonika nonlinier telah dipelajari. Keunggulan litium niobat pada isolator (LNoI), yang menunjukkan sifat nonlinier χ(2) dan χ(3) yang sangat baik bersama dengan pengurungan optik yang kuat karena struktur "isolator-on", telah menghasilkan kemajuan signifikan dalam teknologi pandu gelombang untuk modulator ultra cepat dan fotonika nonlinier terintegrasi [1-3]. Selain LN, litium tantalat (LT) juga telah diteliti sebagai material fotonika 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, mirip dengan LN [6, 7]. Dengan demikian, LToI menonjol sebagai material kandidat kuat lainnya untuk aplikasi fotonik nonlinier daya optik tinggi. Selain itu, 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 mungkin 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 fase elektro-optik [9]. Dalam makalah ini, kami menyajikan pandu gelombang LToI rugi rendah dan aplikasinya dalam resonator cincin. Selain itu, kami memberikan karakteristik nonlinier χ(3) dari pandu gelombang LToI.
Poin-poin Penting:
• Menawarkan wafer LToI 4 inci hingga 6 inci, wafer litium tantalat film tipis, dengan ketebalan lapisan atas mulai dari 100 nm hingga 1500 nm, menggunakan teknologi dalam negeri dan proses yang sudah mapan.
• SINOI: Wafer film tipis silikon nitrida dengan kerugian ultra-rendah.
• SICOI: Substrat film tipis silikon karbida semi-isolasi kemurnian tinggi untuk sirkuit terpadu fotonik silikon karbida.
• LTOI: Pesaing kuat untuk litium niobate, wafer litium tantalat film tipis.
• LNOI: LNOI 8 inci yang mendukung produksi massal produk litium niobate film tipis skala besar.
Manufaktur pada Pandu Gelombang Isolator:Dalam penelitian ini, kami menggunakan wafer LToI 4 inci. Lapisan LT atas adalah substrat LT Y-cut yang diputar 42° komersial untuk perangkat SAW, yang diikat 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 atas 200 nm. Kami menilai kekasaran permukaan lapisan LT atas menggunakan mikroskop gaya atom (AFM).
Gambar 1.(a) Tampilan atas wafer LToI, (b) Citra AFM permukaan lapisan LT atas, (c) Citra PFM permukaan lapisan LT atas, (d) Skema penampang pandu gelombang LToI, (e) Profil mode TE fundamental yang dihitung, dan (f) Citra SEM inti pandu gelombang LToI sebelum deposisi lapisan 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 memastikan 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 selanjutnya. Kemudian, litografi berkas elektron (EB) dilakukan untuk mendefinisikan 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 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 melebar menjadi 3 µm di tepi pandu gelombang untuk kopling serat optik.
Gambar 1 (e) menampilkan distribusi intensitas optik yang dihitung dari mode listrik transversal (TE) fundamental pada 1550 nm. Gambar 1 (f) menunjukkan citra mikroskop elektron pemindaian (SEM) dari inti pandu gelombang LToI sebelum pengendapan lapisan SiO2.
Karakteristik Pandu Gelombang:Pertama, kami mengevaluasi karakteristik kerugian linier dengan memasukkan cahaya terpolarisasi TE dari sumber emisi spontan teramplifikasi dengan panjang gelombang 1550 nm ke dalam pandu gelombang LToI dengan panjang yang bervariasi. Kerugian propagasi diperoleh dari kemiringan hubungan antara panjang pandu gelombang dan transmisi pada setiap panjang gelombang. Kerugian propagasi yang terukur 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 canggih [10].
Selanjutnya, kami menilai nonlinieritas χ(3) melalui konversi panjang gelombang yang dihasilkan oleh proses pencampuran empat gelombang. Kami memasukkan cahaya pompa gelombang kontinu pada 1550,0 nm dan cahaya sinyal pada 1550,6 nm ke dalam pandu gelombang sepanjang 12 mm. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (b), intensitas sinyal gelombang cahaya konjugasi fase (idler) meningkat seiring dengan peningkatan daya masukan. Sisipan pada Gambar 2 (b) menunjukkan spektrum keluaran tipikal dari pencampuran empat gelombang. Dari hubungan antara daya masukan dan efisiensi konversi, kami memperkirakan parameter nonlinier (γ) sekitar 11 W^-1m.
Gambar 3.(a) Gambar mikroskop dari resonator cincin yang dibuat. (b) Spektrum transmisi resonator cincin dengan berbagai parameter celah. (c) Spektrum transmisi terukur dan hasil fitting Lorentzian dari resonator cincin dengan celah 1000 nm.
Selanjutnya, kami membuat resonator cincin LToI dan mengevaluasi karakteristiknya. Gambar 3 (a) menunjukkan citra mikroskop optik dari resonator cincin yang telah dibuat. Resonator cincin ini memiliki konfigurasi "lintasan balap", yang terdiri dari daerah melengkung dengan radius 100 µm dan daerah lurus dengan panjang 100 µm. Lebar celah antara cincin dan inti pandu gelombang bervariasi dengan peningkatan 200 nm, khususnya pada 800, 1000, dan 1200 nm. Gambar 3 (b) menampilkan spektrum transmisi untuk setiap celah, yang menunjukkan bahwa rasio kepunahan berubah dengan ukuran celah. Dari spektrum ini, kami menentukan bahwa celah 1000 nm memberikan kondisi kopling yang hampir kritis, karena menunjukkan rasio kepunahan tertinggi sebesar -26 dB.
Dengan menggunakan resonator yang terkopel secara kritis, kami memperkirakan faktor kualitas (faktor Q) dengan mencocokkan spektrum transmisi linier dengan kurva Lorentzian, memperoleh faktor Q internal sebesar 1,1 juta, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3 (c). Sepengetahuan kami, ini adalah demonstrasi pertama dari resonator cincin LToI yang terkopel dengan pandu gelombang. Perlu dicatat, nilai faktor Q yang kami capai jauh lebih tinggi daripada resonator mikrodisk LToI yang terkopel dengan serat [9].
Kesimpulan:Kami mengembangkan pandu 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 pandu gelombang LNoI rugi rendah terkini. Selain itu, kami menyelidiki nonlinieritas χ(3) dari pandu gelombang LToI yang dibuat untuk aplikasi nonlinier pada chip.
Waktu posting: 20 November 2024