Abstrak:Kami telah mengembangkan pandu gelombang litium tantalat berbasis isolator 1550 nm dengan kehilangan 0,28 dB/cm dan faktor kualitas resonator cincin sebesar 1,1 juta. Penerapan χ(3) nonlinier dalam fotonik nonlinier telah dipelajari. Keunggulan lithium niobate pada isolator (LNoI), yang menunjukkan sifat nonlinier χ(2) dan χ(3) yang sangat baik serta pengurungan optik yang kuat karena struktur "insulator-on", telah membawa kemajuan signifikan dalam teknologi pandu gelombang untuk ultracepat modulator 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 luas [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 daya optik tinggi. Selain itu, LToI menjadi bahan utama untuk perangkat filter gelombang akustik permukaan (SAW), yang dapat diterapkan dalam teknologi seluler dan nirkabel berkecepatan tinggi. Dalam konteks ini, wafer LToI mungkin menjadi bahan yang lebih umum untuk aplikasi fotonik. Namun, hingga saat ini, hanya beberapa perangkat fotonik berdasarkan LToI yang telah dilaporkan, seperti resonator mikrodisk [8] dan pemindah fasa elektro-optik [9]. Dalam makalah ini, kami menyajikan pandu gelombang LToI dengan kerugian rendah dan penerapannya dalam resonator cincin. Selain itu, kami menyediakan karakteristik nonlinier χ(3) dari pandu gelombang LToI.
Poin Penting:
• Menawarkan wafer LToI 4 inci hingga 6 inci, wafer lithium tantalate film 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 ultra-rendah.
• SICOI: Substrat film tipis silikon karbida semi-isolasi dengan kemurnian tinggi untuk sirkuit terpadu fotonik silikon karbida.
• LTOI: Pesaing kuat litium niobate, wafer litium tantalat film tipis.
• LNOI: LNOI 8 inci yang mendukung produksi massal produk lithium niobate film tipis berskala besar.
Pembuatan Pandu Gelombang Insulator:Dalam penelitian ini, kami menggunakan wafer LToI 4 inci. Lapisan LT atas adalah substrat LT potong Y komersial yang diputar 42° 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 kekuatan atom (AFM).
Gambar 1.(a) Tampak atas wafer LToI, (b) Gambar AFM permukaan lapisan LT atas, (c) Gambar PFM permukaan lapisan LT atas, (d) Skema penampang pandu gelombang LToI, (e) Menghitung profil mode TE fundamental, dan (f) Gambar SEM dari inti pandu gelombang LToI sebelum pengendapan lapisan atas SiO2. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 (b), kekasaran permukaan kurang dari 1 nm, dan tidak ada garis gores yang terlihat. 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 berikutnya pada LT. Kemudian, litografi berkas elektron (EB) dilakukan untuk menentukan pola inti pandu gelombang di atas lapisan topeng logam. Selanjutnya, kami memindahkan pola resistensi EB ke lapisan masker logam melalui etsa kering. Setelah itu, inti pandu gelombang LToI dibentuk menggunakan etsa plasma resonansi siklotron elektron (ECR). Terakhir, lapisan penutup logam dihilangkan melalui proses basah, dan lapisan atas SiO2 diendapkan menggunakan pengendapan uap kimia yang ditingkatkan plasma. Gambar 1 (d) menunjukkan skema penampang pandu gelombang LToI. Total tinggi inti, tinggi pelat, dan lebar inti masing-masing adalah 200 nm, 100 nm, dan 1000 nm. Perhatikan bahwa lebar inti diperluas hingga 3 µm di tepi pandu gelombang untuk pemasangan serat optik.
Gambar 1 (e) menampilkan distribusi intensitas optik yang dihitung dari mode fundamental transversal listrik (TE) pada 1550 nm. Gambar 1 (f) menunjukkan gambar pemindaian mikroskop elektron (SEM) dari inti pandu gelombang LToI sebelum pengendapan lapisan atas SiO2.
Karakteristik Pandu Gelombang:Kami pertama-tama mengevaluasi karakteristik kehilangan 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. Kehilangan propagasi diperoleh dari kemiringan hubungan antara panjang pandu gelombang dan transmisi pada setiap panjang gelombang. Kerugian propagasi 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 nonlinier 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 yang ditunjukkan pada Gambar 2 (b), intensitas sinyal gelombang cahaya konjugasi fase (idler) meningkat dengan meningkatnya daya input. 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) kira-kira 11 W^-1m.
Gambar 3.(a) Gambar mikroskop dari resonator cincin buatan. (b) Spektrum transmisi resonator cincin dengan berbagai parameter celah. (c) Spektrum transmisi resonator cincin terukur dan dilengkapi Lorentzian dengan celah 1000 nm.
Selanjutnya, kami membuat resonator cincin LToI dan mengevaluasi karakteristiknya. Gambar 3 (a) menunjukkan gambar mikroskop optik dari resonator cincin buatan. Resonator cincin memiliki konfigurasi "lintasan balap", yang terdiri dari wilayah melengkung dengan radius 100 µm dan wilayah lurus dengan panjang 100 µm. Lebar celah antara cincin dan inti pandu gelombang bus bervariasi dalam 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 seiring dengan ukuran celah. Dari spektrum ini, kami menentukan bahwa celah 1000 nm memberikan kondisi penggandengan yang hampir kritis, karena menunjukkan rasio kepunahan tertinggi yaitu -26 dB.
Dengan menggunakan resonator yang digabungkan secara kritis, kami memperkirakan faktor kualitas (faktor Q) dengan menyesuaikan 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 digabungkan dengan pandu gelombang. Khususnya, nilai faktor Q yang kami capai secara signifikan lebih tinggi dibandingkan dengan resonator mikrodisk LToI yang digabungkan dengan serat [9].
Kesimpulan:Kami mengembangkan pandu gelombang LToI dengan kehilangan 0,28 dB/cm pada 1550 nm dan faktor Q resonator cincin sebesar 1,1 juta. Kinerja yang diperoleh sebanding dengan pandu gelombang LNoI dengan kerugian rendah yang canggih. Selain itu, kami menyelidiki nonlinier χ (3) dari pandu gelombang LToI yang diproduksi untuk aplikasi nonlinier on-chip.
Waktu posting: 20 November-2024