Abstrakti:Olemme kehittäneet 1550 nm:n eristepohjaisen litiumtantalaatti-aaltojohteen, jonka häviö on 0,28 dB/cm ja rengasresonaattorin laatukerroin 1,1 miljoonaa. χ(3)-epälineaarisuuden soveltamista epälineaarisessa fotoniikassa on tutkittu. Litiumniobaatin etuja eristeellä (LNoI), jolla on erinomaiset χ(2)- ja χ(3)-epälineaariset ominaisuudet sekä vahva optinen rajoitus sen "eristeellä"-rakenteen ansiosta, on hyödynnetty merkittäviin edistysaskeliin aaltojohdintekniikassa ultranopeiden modulaattoreiden ja integroidun epälineaarisen fotoniikan osalta [1-3]. LN:n lisäksi litiumtantalaattia (LT) on tutkittu myös epälineaarisena fotonisena materiaalina. LN:ään verrattuna LT:llä on korkeampi optinen vauriokynnys ja laajempi optinen läpinäkyvyysikkuna [4, 5], vaikka sen optiset parametrit, kuten taitekerroin ja epälineaariset kertoimet, ovat samanlaisia kuin LN:llä [6, 7]. Siten LToI erottuu joukosta toisena vahvana ehdokasmateriaalina suuren optisen tehon epälineaarisiin fotoniikkasovelluksiin. Lisäksi LToI:stä on tulossa ensisijainen materiaali pinta-akustisten aaltojen (SAW) suodatinlaitteissa, joita voidaan soveltaa nopeissa mobiili- ja langattomissa teknologioissa. Tässä yhteydessä LToI-kiekoista voi tulla yleisempiä materiaaleja fotoniikan sovelluksissa. Tähän mennessä on kuitenkin raportoitu vain muutamia LToI:hin perustuvia fotonisia laitteita, kuten mikrolevyresonaattoreita [8] ja elektrooptisia vaiheensiirtimiä [9]. Tässä artikkelissa esittelemme pienihäviöisen LToI-aaltojohteen ja sen sovelluksen rengasresonaattorissa. Lisäksi esittelemme LToI-aaltojohteen χ(3)-epälineaariset ominaisuudet.
Keskeiset kohdat:
• Tarjoamme 4–6 tuuman LToI-kiekkoja, ohutkalvoisia litiumtantalaattikiekkoja, joiden pintakerroksen paksuus vaihtelee 100 nm:stä 1500 nm:iin, hyödyntäen kotimaista teknologiaa ja kehittyneitä prosesseja.
• SINOI: Erittäin vähähäviöiset piinitridiohutkalvokiekot.
• SICOI: Erittäin puhtaat puolieristävät piikarbidi-ohutkalvosubstraatit piikarbidi-fotonisille integroiduille piireille.
• LTOI: Vahva kilpailija litiumniobaatille, ohutkalvoiset litiumtantalaattikiekot.
• LNOI: 8-tuumainen LNOI, joka tukee suurempien ohutkalvoisten litiumniobaattituotteiden massatuotantoa.
Eristeaaltojohtimien valmistus:Tässä tutkimuksessa käytimme 4-tuumaisia LToI-kiekkoja. Päällimmäinen LT-kerros on kaupallinen 42° kierretty Y-leikattu LT-substraatti SAW-laitteille, joka on kiinnitetty suoraan piisubstraattiin 3 µm paksuisella lämpöoksidikerroksella älykästä leikkausprosessia käyttäen. Kuva 1(a) esittää LToI-kiekon ylhäältäpäin katsottuna, ja päällimmäisen LT-kerroksen paksuus on 200 nm. Päällimmäisen LT-kerroksen pinnan karheutta arvioitiin atomivoimamikroskopialla (AFM).
Kuva 1.(a) LToI-kiekon yläkuva, (b) AFM-kuva päällimmäisen LT-kerroksen pinnasta, (c) PFM-kuva päällimmäisen LT-kerroksen pinnasta, (d) LToI-aaltojohteen kaavamainen poikkileikkaus, (e) Laskettu perus-TE-moodiprofiili ja (f) LToI-aaltojohteen ytimen SEM-kuva ennen SiO2-päällyskerroksen pinnoitusta. Kuten kuvassa 1 (b) on esitetty, pinnan karheus on alle 1 nm, eikä naarmuja havaittu. Lisäksi tutkimme päällimmäisen LT-kerroksen polarisaatiotilaa pietsosähköisellä vastevoimamikroskopialla (PFM), kuten kuvassa 1 (c) on esitetty. Vahvistimme, että tasainen polarisaatio säilyi myös liimausprosessin jälkeen.
Käyttäen tätä LToI-substraattia, valmistimme aaltojohtimen seuraavasti. Ensin kerrostettiin metallimaskikerros LT:n myöhempää kuivaetsausta varten. Sitten suoritettiin elektronisuihkulitografia (EB) aaltojohtimen ydinkuvion määrittämiseksi metallimaskikerroksen päälle. Seuraavaksi siirsimme EB-resistkuvion metallimaskikerrokselle kuivaetsauksella. Sen jälkeen LToI-aaltojohdinydin muodostettiin elektronisyklotroniresonanssiplasmaetsauksella (ECR). Lopuksi metallimaskikerros poistettiin märkäprosessilla ja SiO2-päällyskerros kerrostettiin plasma-avusteisella kemiallisella höyrypinnoituksella. Kuva 1 (d) esittää LToI-aaltojohtimen kaavamaisen poikkileikkauksen. Ytimen kokonaiskorkeus, levyn korkeus ja ytimen leveys ovat vastaavasti 200 nm, 100 nm ja 1000 nm. Huomaa, että ytimen leveys laajenee 3 µm:iin aaltojohtimen reunalla optista kuitukytkentää varten.
Kuva 1 (e) esittää perusaallon poikittaisen sähköisen moodin (TE) lasketun optisen intensiteetin jakauman aallonpituudella 1550 nm. Kuva 1 (f) esittää LToI-aaltojohdinytimen pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvan (SEM) ennen SiO2-päällyskerroksen kerrostusta.
Aaltoputken ominaisuudet:Ensin arvioimme lineaarisen häviön ominaiskäyrää syöttämällä TE-polarisoitua valoa 1550 nm:n aallonpituudella vahvistetusta spontaanista emissiolähteestä eripituisiin LToI-aaltojohtimiin. Etenemishäviö saatiin aaltojohtimen pituuden ja läpäisyn välisen suhteen kulmakertoimesta kullakin aallonpituudella. Mitatut etenemishäviöt olivat 0,32, 0,28 ja 0,26 dB/cm aallonpituuksilla 1530, 1550 ja 1570 nm, kuten kuvassa 2 (a) on esitetty. Valmistetut LToI-aaltojohteet osoittivat verrattavissa olevaa pienihäviöistä suorituskykyä huippuluokan LNoI-aaltojohtimiin [10].
Seuraavaksi arvioimme χ(3)-epälineaarisuutta neliaaltosekoitusprosessin tuottaman aallonpituusmuunnoksen avulla. Syötimme 12 mm pitkään aaltojohtimeen jatkuvatoimisen pumppausvalon aallonpituudella 1550,0 nm ja signaalivalon aallonpituudella 1550,6 nm. Kuten kuvassa 2 (b) on esitetty, vaihekonjugaattivalon (joutoaallon) signaalin intensiteetti kasvoi syöttötehon kasvaessa. Kuvan 2 (b) pienoiskuva näyttää neliaaltosekoituksen tyypillisen lähtöspektrin. Syöttötehon ja muunnostehokkuuden välisen suhteen perusteella arvioimme epälineaarisen parametrin (γ) olevan noin 11 W^-1m².
Kuva 3.(a) Valmistetun rengasresonaattorin mikroskooppikuva. (b) Rengasresonaattorin läpäisyspektrit erilaisilla rakoparametreilla. (c) Rengasresonaattorin mitattu ja Lorentzinilla sovitettu läpäisyspektri 1000 nm:n rakoparametrilla.
Seuraavaksi valmistimme LToI-rengasresonaattorin ja arvioimme sen ominaisuuksia. Kuva 3 (a) esittää optisen mikroskooppikuvan valmistetusta rengasresonaattorista. Rengasresonaattorilla on "kilparata"-rakenne, joka koostuu kaarevasta alueesta, jonka säde on 100 µm, ja suorasta alueesta, jonka pituus on 100 µm. Renkaan ja väyläaaltojohtimen ytimen välinen raon leveys vaihtelee 200 nm:n välein, erityisesti aallonpituuksilla 800, 1000 ja 1200 nm. Kuva 3 (b) esittää kunkin raon läpäisyspektrit, mikä osoittaa, että vaimennussuhde muuttuu raon koon mukaan. Näistä spektreistä määritimme, että 1000 nm:n rako tarjoaa lähes kriittiset kytkentäolosuhteet, koska sillä on korkein vaimennussuhde, -26 dB.
Käyttämällä kriittisesti kytkettyä resonaattoria arvioimme laatutekijän (Q-tekijän) sovittamalla lineaarisen läpäisyspektrin Lorentzin käyrään, jolloin saatiin sisäinen Q-tekijä 1,1 miljoonaa, kuten kuvassa 3 (c) on esitetty. Tietojemme mukaan tämä on ensimmäinen aaltojohdekytketyn LToI-rengasresonaattorin demonstraatio. Merkillepantavaa on, että saavuttamamme Q-tekijän arvo on huomattavasti korkeampi kuin kuitukytkettyjen LToI-mikrolevyresonaattoreiden [9].
Johtopäätös:Kehitimme LToI-aaltojohteen, jonka häviö on 0,28 dB/cm aallonpituudella 1550 nm ja rengasresonaattorin Q-kerroin 1,1 miljoonaa. Saatu suorituskyky on verrattavissa huippuluokan pienihäviöisiin LNoI-aaltojohtimiin. Lisäksi tutkimme valmistetun LToI-aaltojohteen χ(3)-epälineaarisuutta sirulle integroituja epälineaarisia sovelluksia varten.
Julkaisun aika: 20.11.2024