Abstract:Avemu sviluppatu una guida d'onda di tantalate di litiu basata in insulator 1550 nm cù una perdita di 0.28 dB / cm è un fattore di qualità di risonatore di ring di 1.1 milioni. L'applicazione di a non-linearità χ(3) in a fotonica non lineare hè stata studiata. I vantaghji di lithium niobate on insulator (LNoI), chì mostra eccellenti proprietà non lineari χ(2) è χ(3) inseme cù un forte confinamentu otticu per via di a so struttura "insulator-on", anu purtatu à avanzamenti significativi in a tecnulugia di guida d'onda per modulatori ultraveloci è fotonica non lineare integrata [1-3]. In più di LN, u tantalatu di litiu (LT) hè statu ancu investigatu cum'è materiale fotonicu non lineale. Comparatu à LN, LT hà un sogliu di dannu otticu più altu è una finestra di trasparenza ottica più larga [4, 5], anche se i so parametri ottici, cum'è l'indice di rifrazione è i coefficienti non lineari, sò simili à quelli di LN [6, 7]. Cusì, LToI si distingue cum'è un altru materiale candidatu forte per l'applicazioni fotoniche non lineari di alta putenza ottica. Inoltre, LToI hè diventatu un materiale primariu per i dispositivi di filtru d'onda acustica di superficie (SAW), applicabile in tecnulugia mobile è wireless d'alta velocità. In questu cuntestu, i wafers LToI ponu diventà materiali più cumuni per l'applicazioni fotoniche. Tuttavia, finu à a data, sò stati rappurtati solu uni pochi di dispositivi fotonici basati in LToI, cum'è i risonatori di microdischi [8] è i shifters elettro-ottici [9]. In questu documentu, prisentamu una guida d'onda LToI à bassa perdita è a so applicazione in un resonator à anello. De plus, nous fournissons les caractéristiques non linéaires χ(3) du guide d'onde LToI.
Punti chjave:
• Offrendu 4-inch à 6-inch LToI wafers, thin-film lithium tantalate wafers, cù grossi di strati superiore chì varieghja da 100 nm à 1500 nm, utilizendu tecnulugia domestica è prucessi maturi.
• SINOI: Ultra-bassa perdita di nitruru di silicium wafers thin-film.
• SICOI : Sustrati di carburu di siliciu di alta purezza semi-insulanti per i circuiti integrati fotonici di carburu di silicium.
• LTOI: Un forte cuncurrente à niobate di lithium, wafers di tantalate di lithium-film thin-film.
• LNOI: 8-inch LNOI chì sustene a pruduzzione di massa di prudutti di niobate di lithium in thin-scale più grande.
Produzione su guide d'onda isolanti:In questu studiu, avemu utilizatu wafers LToI di 4 inch. U sustratu LT superiore hè un sustrato LT rotativu in Y-cut à 42 ° per i dispositi SAW, chì hè direttamente ligatu à un sustrato Si cun un stratu d'ossidu termale di 3 µm di spessore, utilizendu un prucessu di taglio intelligente. A Figura 1 (a) mostra una vista superiore di u wafer LToI, cù u spessore di a capa superiore LT di 200 nm. Avemu valutatu a rugosità di a superficia di a capa superiore LT utilizendu a microscopia di forza atomica (AFM).
Figura 1.(a) Vista superiore di u wafer LToI, (b) Immagine AFM di a superficia di a capa superiore LT, (c) Immagine PFM di a superficia di a capa superiore LT, (d) Sezione trasversale schematica di a guida d'onda LToI, (e) Profilu di modalità TE fundamentale calculatu, è (f) Immagine SEM di u core di guida d'onda LToI prima di deposizione di SiO2. Comu mostra in a Figura 1 (b), a rugosità di a superficia hè menu di 1 nm, è ùn sò micca osservati linee di scratch. Inoltre, avemu esaminatu u statu di polarizazione di a capa superiore LT utilizendu a microscopia di forza di risposta piezoelettrica (PFM), cum'è illustratu in a Figura 1 (c). Avemu cunfirmatu chì a polarizazione uniforme hè stata mantinuta ancu dopu à u prucessu di bonding.
Utilizendu stu sustrato LToI, avemu fattu a guida d'onda cum'è seguita. Prima, una capa di maschera di metallu hè stata dipositata per a successiva incisione secca di u LT. Dopu, a litografia di u fasciu di elettroni (EB) hè stata realizata per definisce u mudellu di core di a guida d'onda sopra a capa di maschera di metallo. In seguitu, avemu trasferitu u mudellu di resistenza EB à a capa di maschera di metallo via incisione secca. Dopu, u core di guida d'onda LToI hè statu furmatu cù l'incisione di plasma di risonanza di ciclotroni elettroni (ECR). Infine, a capa di maschera di metallu hè stata sguassata attraversu un prucessu umitu, è una strata di SiO2 hè stata dipositata utilizendu a deposizione di vapore chimica aumentata di plasma. A Figura 1 (d) mostra a sezione trasversale schematica di a guida d'onda LToI. L'altezza totale di u core, l'altezza di a piastra è a larghezza di u core sò rispettivamente di 200 nm, 100 nm è 1000 nm. Si noti che la larghezza del nucleo si espande a 3 µm al bordo della guida d'onda per l'accoppiamento di fibre ottiche.
A figura 1 (e) mostra a distribuzione di l'intensità ottica calculata di u modu elettricu trasversale fundamentale (TE) à 1550 nm. A Figura 1 (f) mostra l'imaghjini di u microscopiu elettronicu à scanning (SEM) di u core di guida d'onda LToI prima di a deposizione di a superposizione di SiO2.
Caratteristiche di guida d'onda:Prima avemu valutatu e caratteristiche di perdita lineari inserendu luce polarizzata TE da una fonte di emissione spontanea amplificata di lunghezza d'onda di 1550 nm in guide d'onda LToI di lunghezze variate. A perdita di propagazione hè stata ottenuta da a pendenza di a relazione trà a lunghezza di a guida d'onda è a trasmissione à ogni lunghezza d'onda. I perditi di propagazione misurati eranu 0,32, 0,28 è 0,26 dB / cm à 1530, 1550 è 1570 nm, rispettivamente, cum'è mostra in Figura 2 (a). Le guide d'onda LToI fabbricate mostravano prestazioni a bassa perdita paragonabili alle guide d'onda LNoI all'avanguardia [10].
Ensuite, nous avons évalué la non-linéarité χ(3) grâce à la conversion de longueur d'onde générée par un processus de mélange à quatre ondes. Ingressu una luce di pompa d'onda continua à 1550.0 nm è una luce di signale à 1550.6 nm in una guida d'onda di 12 mm di lunghezza. Cum'è mostra in a Figura 2 (b), l'intensità di u signale di l'onda luminosa in fase-conjugate (idler) aumentava cù l'aumentu di a putenza di input. L'inseritu in a Figura 2 (b) mostra u spettru tipicu di output di u mischju di quattru onde. Da a relazione trà a putenza di input è l'efficienza di cunversione, avemu stimatu u paràmetru non-linear (γ) à circa 11 W^-1m.
Figura 3.(a) L'imaghjini di u microscopiu di u risonatore anellu fabbricatu. (b) Spettri di trasmissione di u risonatore di l'anellu cù diversi parametri di gap. (c) Spettru di trasmissione misuratu è adattatu à Lorentzian di u risonatore di l'anellu cù una distanza di 1000 nm.
Dopu, avemu fabricatu un resonator anellu LToI è evaluate e so caratteristiche. A Figura 3 (a) mostra l'imaghjini di u microscopiu otticu di u risonatore d'anellu fabbricatu. U ring resonator presenta una cunfigurazione "racetrack", custituita da una regione curva cù un raghju di 100 µm è una regione dritta di 100 µm di lunghezza. A larghezza di intervallu trà l'anellu è u core di a guida d'onda di bus varia in incrementi di 200 nm, in particulare à 800, 1000 è 1200 nm. A Figura 3 (b) mostra i spettri di trasmissione per ogni gap, chì indicanu chì u rapportu di estinzione cambia cù a dimensione di u gap. Da questi spettri, avemu determinatu chì u gap 1000 nm furnisce cundizioni di accoppiamentu quasi critichi, postu chì mostra u più altu rapportu di estinzione di -26 dB.
Utilizendu u risonatore criticamente accoppiatu, avemu stimatu u fattore di qualità (fattore Q) affissendu u spettru di trasmissione lineale cù una curva Lorentziana, ottenendu un fattore Q internu di 1,1 milioni, cum'è mostra in Figura 3 (c). À a nostra cunniscenza, questa hè a prima dimostrazione di un risonatore d'anellu LToI accoppiatu à guida d'onda. In particulare, u valore di u fattore Q chì avemu ottenutu hè significativamente più altu ch'è quellu di i risonatori di microdischi LToI accoppiati in fibra [9].
Conclusioni:Avemu sviluppatu una guida d'onda LToI cù una perdita di 0,28 dB/cm à 1550 nm è un fattore Q di risonatore ad anello di 1,1 milioni. Le prestazioni ottenute sono paragonabili a quelle di guide d'onda LNoI di ultima generazione a bassa perdita. Inoltre, avemu investigatu a non-linearità χ (3) di a guida d'onda LToI fabbricata per applicazioni non lineari in chip.
Tempu di Postu: Nov-20-2024