Abstrakti:Olemme kehittäneet 1550 nm eristepohjaisen litiumtantalaatti-aaltoputken, jonka häviö on 0,28 dB/cm ja rengasresonaattorin laatukerroin 1,1 miljoonaa. χ(3)-epälineaarisuuden soveltamista epälineaarisessa fotoniikassa on tutkittu. Litiumniobaatin edut eristimessä (LNoI), jolla on erinomaiset χ(2) ja χ(3) epälineaariset ominaisuudet sekä vahva optinen rajoitus sen "eriste-on" -rakenteensa ansiosta, ovat johtaneet merkittäviin edistysaskeliin ultranopeiden aaltoputkiteknologiassa. modulaattorit ja integroitu epälineaarinen fotoniikka [1-3]. LN:n lisäksi litiumtantalaattia (LT) on tutkittu myös epälineaarisena fotonimateriaalina. LN:ään verrattuna LT:llä on korkeampi optinen vauriokynnys ja leveämpi optinen läpinäkyvyysikkuna [4, 5], vaikka sen optiset parametrit, kuten taitekerroin ja epälineaariset kertoimet, ovat samanlaisia kuin LN:n [6, 7]. Siten LToI erottuu toisena vahvana ehdokasmateriaalina korkean optisen tehon epälineaarisiin fotonisiin sovelluksiin. Lisäksi LToI:stä on tulossa ensisijainen materiaali pinta-akustisten aaltojen (SAW) suodatinlaitteille, joita voidaan soveltaa nopeissa mobiili- ja langattomissa teknologioissa. Tässä yhteydessä LToI-kiekoista voi tulla yleisempiä materiaaleja fotonisissa sovelluksissa. Tähän mennessä on kuitenkin raportoitu vain muutamia LToI:hen perustuvia fotonilaitteita, kuten mikrolevyresonaattoreita [8] ja sähköoptisia vaiheensiirtimiä [9]. Tässä artikkelissa esittelemme pienihäviöisen LToI-aaltoputken ja sen käytön rengasresonaattorissa. Lisäksi tarjoamme LToI-aaltoputken epälineaariset χ(3)-ominaisuudet.
Pääkohdat:
• Tarjoaa 4-6 tuuman LToI-kiekkoja, ohutkalvo-litiumtantalaattikiekkoja, joiden yläkerroksen paksuus vaihtelee 100 nm:stä 1500 nm:iin, hyödyntäen kotimaista teknologiaa ja kypsiä prosesseja.
• SINOI: Erittäin pienihäviöiset piinitridiohutkalvokiekot.
• SICOI: Erittäin puhtaat puolieristävät piikarbidi-ohutkalvosubstraatit piikarbidin fotoniisille integroiduille piireille.
• LTOI: Vahva kilpailija litiumniobaatti-, ohutkalvo-litiumtantalaattikiekkoille.
• LNOI: 8 tuuman LNOI, joka tukee laajemman mittakaavan ohutkalvolitiumniobaattituotteiden massatuotantoa.
Valmistus eristeaaltoputkilla:Tässä tutkimuksessa käytimme 4 tuuman LToI-kiekkoja. Päällys LT-kerros on kaupallinen 42° kierretty Y-leikattu LT-substraatti SAW-laitteille, joka on suoraan sidottu Si-substraattiin 3 µm paksulla lämpöoksidikerroksella älykkään leikkausprosessin avulla. Kuva 1(a) esittää ylhäältä katsottuna LToI-kiekon yläosan LT-kerroksen paksuuden ollessa 200 nm. Arvioimme ylemmän LT-kerroksen pinnan karheutta käyttämällä atomivoimamikroskopiaa (AFM).
Kuva 1.(a) Yläkuva LToI-kiekosta, (b) AFM-kuva ylimmän LT-kerroksen pinnasta, (c) PFM-kuva ylimmän LT-kerroksen pinnasta, (d) kaaviomainen poikkileikkaus LToI-aaltoputkesta, (e) Laskettu perustavanlaatuinen TE-moodiprofiili ja (f) SEM-kuva LToI-aaltoputken ytimestä ennen SiO2-päällyskerroksen kerrostumista. Kuten kuviosta 1 (b) esitetään, pinnan karheus on alle 1 nm, eikä naarmuviivoja havaittu. Lisäksi tutkimme ylimmän LT-kerroksen polarisaatiotilaa käyttämällä pietsosähköistä vastevoimamikroskopiaa (PFM), kuten kuvassa 1 (c). Vahvistimme, että tasainen polarisaatio säilyi myös sidosprosessin jälkeen.
Käyttämällä tätä LToI-substraattia valmistimme aaltoputken seuraavasti. Ensin kerrostettiin metallinaamiokerros myöhempää LT:n kuivasyövytystä varten. Sitten suoritettiin elektronisuihkulitografia (EB) aaltoputken ydinkuvion määrittämiseksi metallimaskikerroksen päällä. Seuraavaksi siirsimme EB-resist-kuvion metallimaskikerrokseen kuivaetsauksella. Myöhemmin LToI-aaltoputkiydin muodostettiin käyttämällä elektronisyklotroniresonanssin (ECR) plasmaetsausta. Lopuksi metallinaamiokerros poistettiin märkäprosessilla ja Si02-päällyskerros kerrostettiin käyttämällä plasmalla tehostettua kemiallista höyrypinnoitusta. Kuva 1 (d) esittää kaavamaisen poikkileikkauksen LToI-aaltoputkesta. Sydämen kokonaiskorkeus, levyn korkeus ja sydämen leveys ovat vastaavasti 200 nm, 100 nm ja 1000 nm. Huomaa, että ytimen leveys laajenee 3 µm:iin aaltoputken reunassa optisen kuidun kytkentää varten.
Kuva 1 (e) esittää lasketun optisen intensiteettijakauman perustransversaaliselle sähköiselle (TE) moodille aallonpituudella 1550 nm. Kuva 1 (f) esittää pyyhkäisyelektronimikroskoopin (SEM) kuvan LToI-aaltoputkiytimestä ennen SiO2-päällyskerroksen laskeutumista.
Aaltoputken ominaisuudet:Arvioimme ensin lineaarisen häviön ominaisuudet syöttämällä TE-polarisoitua valoa 1550 nm aallonpituudella vahvistetusta spontaanista emissiolähteestä eripituisiin LToI-aaltoputkiin. Etenemishäviö saatiin aaltoputken pituuden ja läpäisyn välisen suhteen kulmakertoimesta kullakin aallonpituudella. Mitatut etenemishäviöt olivat 0,32, 0,28 ja 0,26 dB/cm aallonpituudella 1530, 1550 ja 1570 nm, vastaavasti, kuten kuvassa 2 (a) esitetään. Valmistetut LToI-aaltojohdot osoittivat verrattavissa olevaa pienihäviöistä suorituskykyä uusimpien LNoI-aaltoputkien kanssa [10].
Seuraavaksi arvioimme χ(3)-epälineaarisuuden neliaaltosekoitusprosessin tuottaman aallonpituusmuunnoksen kautta. Syötetään jatkuvan aallon pumppuvalo aallonpituudella 1550,0 nm ja signaalivalo aallonpituudella 1550,6 nm 12 mm pitkään aaltoputkeen. Kuten kuviossa 2 (b) on esitetty, vaihekonjugoidun (idler) valoaallon signaalin intensiteetti kasvoi tulotehon kasvaessa. Kuvan 2 (b) upote esittää neliaaltosekoituksen tyypillisen lähtöspektrin. Tulotehon ja muunnostehokkuuden välisen suhteen perusteella arvioimme epälineaarisen parametrin (γ) olevan noin 11 W^-1m.
Kuva 3.(a) Valmistetun rengasresonaattorin mikroskooppikuva. (b) Rengasresonaattorin lähetysspektrit erilaisilla rakoparametreilla. (c) Rengasresonaattorin mitattu ja Lorentzian sovitettu läpäisyspektri 1000 nm:n raolla.
Seuraavaksi valmistimme LToI-rengasresonaattorin ja arvioimme sen ominaisuuksia. Kuva 3 (a) esittää optisen mikroskoopin kuvan valmistetusta rengasresonaattorista. Rengasresonaattorissa on "kilurata"-konfiguraatio, joka koostuu kaarevasta alueesta, jonka säde on 100 µm, ja suorasta alueesta, jonka pituus on 100 µm. Renkaan ja väylän aaltoputkiytimen välinen raon leveys vaihtelee 200 nm:n välein, erityisesti aallonpituuksilla 800, 1000 ja 1200 nm. Kuva 3 (b) näyttää lähetysspektrit kullekin aukolle osoittaen, että ekstinktiosuhde muuttuu raon koon mukaan. Näistä spektreistä päätimme, että 1000 nm:n aukko tarjoaa lähes kriittiset kytkentäolosuhteet, koska sillä on suurin ekstinktiosuhde -26 dB.
Kriittisesti kytkettyä resonaattoria käyttämällä arvioimme laatutekijän (Q-tekijä) sovittamalla lineaariseen siirtospektriin Lorentzian-käyrä, jolloin saatiin sisäinen Q-kerroin 1,1 miljoonaa, kuten kuvassa 3 (c) esitetään. Tietojemme mukaan tämä on ensimmäinen aaltoputkeen kytketyn LToI-rengasresonaattorin esittely. On huomattava, että saavuttamamme Q-tekijän arvo on merkittävästi korkeampi kuin kuitukytketyillä LToI-mikrolevyresonaattoreilla [9].
Johtopäätös:Kehitimme LToI-aaltoputken, jonka häviö on 0,28 dB/cm 1550 nm:ssä ja rengasresonaattorin Q-kerroin 1,1 miljoonaa. Saatu suorituskyky on verrattavissa huippuluokan pienihäviöisten LNoI-aaltoputkien suorituskykyyn. Lisäksi tutkimme valmistetun LToI-aaltoputken χ(3)-epälineaarisuutta sirussa oleville epälineaarisille sovelluksille.
Postitusaika: 20.11.2024