Riassuntu:Avemu sviluppatu una guida d'onda di tantalatu di litiu à basa di isolante di 1550 nm cù una perdita di 0,28 dB/cm è un fattore di qualità di risonatore ad anello di 1,1 milioni. L'applicazione di a non linearità χ(3) in a fotonica non lineare hè stata studiata. I vantaghji di u niobatu di litiu nantu à l'isolante (LNoI), chì presenta eccellenti proprietà non lineari di χ(2) è χ(3) inseme cù un forte cunfinamentu otticu per via di a so struttura "insulator-on", anu purtatu à progressi significativi in a tecnulugia di e guide d'onda per i modulatori ultraveloci è a fotonica non lineare integrata [1-3]. Oltre à LN, u tantalatu di litiu (LT) hè statu ancu studiatu cum'è materiale fotonicu non lineare. Paragunatu à LN, LT hà una soglia di dannu otticu più alta è una finestra di trasparenza ottica più larga [4, 5], ancu 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 forte materiale candidatu per 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), applicabili in tecnulugie mobili è wireless à alta velocità. In questu cuntestu, i wafer LToI ponu diventà materiali più cumuni per applicazioni fotoniche. Tuttavia, finu à oghje, solu uni pochi di dispositivi fotonici basati nantu à LToI sò stati segnalati, cum'è risonatori à microdischi [8] è cambiatori di fase elettro-ottici [9]. In questu articulu, presentemu una guida d'onda LToI à bassa perdita è a so applicazione in un risonatore ad anello. Inoltre, furnimu e caratteristiche non lineari χ(3) di a guida d'onda LToI.
Punti chjave:
• Offre wafer LToI da 4 pollici à 6 pollici, wafer di tantalatu di litiu à film sottile, cù spessori di stratu superiore chì varianu da 100 nm à 1500 nm, utilizendu tecnulugia naziunale è prucessi maturi.
• SINOI: Wafer à film sottile di nitruro di siliciu à perdite ultra basse.
• SICOI: Substrati di film sottile di carburo di siliciu semi-isolanti di alta purezza per circuiti integrati fotonici di carburo di siliciu.
• LTOI: Un forte cuncurrente à u niobatu di litiu, wafer di tantalatu di litiu à film sottile.
• LNOI: LNOI di 8 pollici chì sustene a pruduzzione di massa di prudutti di niobatu di litiu à film sottile à grande scala.
Fabbricazione nantu à guide d'onda isolanti:In questu studiu, avemu utilizatu wafer LToI di 4 pollici. U stratu LT superiore hè un substratu LT cummerciale tagliatu à Y rotatu à 42° per i dispositivi SAW, chì hè direttamente ligatu à un substratu Si cù un stratu d'ossidu termicu di 3 µm di spessore, utilizendu un prucessu di taglio intelligente. A Figura 1(a) mostra una vista dall'alto di u wafer LToI, cù u spessore di u stratu LT superiore di 200 nm. Avemu valutatu a rugosità superficiale di u stratu LT superiore utilizendu a microscopia di forza atomica (AFM).
Figura 1.(a) Vista superiore di a cialda LToI, (b) Imagine AFM di a superficia di u stratu LT superiore, (c) Imagine PFM di a superficia di u stratu LT superiore, (d) Sezione trasversale schematica di a guida d'onda LToI, (e) Profilu di modu TE fundamentale calculatu, è (f) Imagine SEM di u core di a guida d'onda LToI prima di a deposizione di u sovrastrato di SiO2. Cum'è mostratu in a Figura 1 (b), a rugosità di a superficia hè menu di 1 nm, è ùn sò state osservate linee di graffiu. Inoltre, avemu esaminatu u statu di polarizazione di u stratu LT superiore utilizendu a microscopia di forza di risposta piezoelettrica (PFM), cum'è mostratu in a Figura 1 (c). Avemu cunfirmatu chì a polarizazione uniforme hè stata mantenuta ancu dopu à u prucessu di ligame.
Aduprendu stu sustratu LToI, avemu fabbricatu a guida d'onda cum'è seguita. Prima, un stratu di maschera metallica hè statu dipusitatu per a successiva incisione a secco di l'LT. Dopu, hè stata realizata a litografia à fasciu elettronicu (EB) per definisce u mudellu di u core di a guida d'onda sopra à u stratu di maschera metallica. In seguitu, avemu trasferitu u mudellu di resistenza EB à u stratu di maschera metallica via incisione a secco. Dopu, u core di a guida d'onda LToI hè statu furmatu aduprendu l'incisione à plasma di risonanza ciclotronica elettronica (ECR). Infine, u stratu di maschera metallica hè statu eliminatu per mezu di un prucessu umitu, è un sovrastrato di SiO2 hè statu dipusitatu aduprendu a deposizione chimica di vapore migliorata da 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 200 nm, 100 nm è 1000 nm. Nutate bè chì a larghezza di u core si espande à 3 µm à u bordu di a guida d'onda per l'accoppiamentu 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'immagine di u microscopiu elettronicu à scansione (SEM) di u core di guida d'onda LToI prima di a deposizione di u stratu sovrastante di SiO2.
Caratteristiche di a guida d'onda:Avemu prima valutatu e caratteristiche di perdita lineare inserendu luce polarizzata TE da una fonte di emissione spontanea amplificata à lunghezza d'onda di 1550 nm in guide d'onda LToI di diverse lunghezze. 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. E perdite di propagazione misurate eranu 0,32, 0,28 è 0,26 dB/cm à 1530, 1550 è 1570 nm, rispettivamente, cum'è mostratu in a Figura 2 (a). E guide d'onda LToI fabbricate anu mostratu prestazioni di bassa perdita paragunabili à e guide d'onda LNoI di punta [10].
Dopu, avemu valutatu a non linearità χ(3) per via di a cunversione di lunghezza d'onda generata da un prucessu di mischju à quattru onde. Avemu inseritu una luce di pompa d'onda cuntinua à 1550,0 nm è una luce di signale à 1550,6 nm in una guida d'onda longa 12 mm. Cum'è mostratu in a Figura 2 (b), l'intensità di u signale d'onda luminosa di cunghjugazione di fase (idler) hè aumentata cù l'aumentu di a putenza d'ingressu. L'insertu in a Figura 2 (b) mostra u spettru tipicu di uscita di u mischju à quattru onde. Da a relazione trà a putenza d'ingressu è l'efficienza di cunversione, avemu stimatu u parametru non lineare (γ) à circa 11 W^-1m.
Figura 3.(a) Imagine di microscopiu di u risonatore ad anellu fabbricatu. (b) Spettri di trasmissione di u risonatore ad anellu cù diversi parametri di gap. (c) Spettru di trasmissione misuratu è adattatu cù a tecnica Lorentzian di u risonatore ad anellu cù un gap di 1000 nm.
Dopu, avemu fabricatu un risonatore ad anellu LToI è avemu valutatu e so caratteristiche. A Figura 3 (a) mostra l'imagine di microscopiu otticu di u risonatore ad anellu fabbricatu. U risonatore ad anellu 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 u spaziu trà l'anellu è u core di guida d'onda di u bus varia in incrementi di 200 nm, specificamente à 800, 1000 è 1200 nm. A Figura 3 (b) mostra i spettri di trasmissione per ogni spaziu, indicendu chì u rapportu di estinzione cambia cù a dimensione di u spaziu. Da questi spettri, avemu determinatu chì u spaziu di 1000 nm furnisce cundizioni di accoppiamentu quasi critiche, postu chì mostra u rapportu di estinzione più altu di -26 dB.
Utilizendu u risonatore accoppiatu criticamente, avemu stimatu u fattore di qualità (fattore Q) adattendu u spettru di trasmissione lineare cù una curva lorentziana, ottenendu un fattore Q internu di 1,1 milioni, cum'è mostratu in a Figura 3 (c). À a nostra cunniscenza, questa hè a prima dimostrazione di un risonatore ad anellu LToI accoppiatu à guida d'onda. In particulare, u valore di u fattore Q chì avemu ottenutu hè significativamente più altu di quellu di i risonatori à microdischi LToI accoppiati à fibra [9].
Cunclusione: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. A prestazione ottenuta hè paragunabile à quella di e guide d'onda LNoI à bassa perdita più avanzate. Inoltre, avemu investigatu a non linearità χ(3) di a guida d'onda LToI fabbricata per applicazioni non lineari on-chip.
Data di publicazione: 20 di nuvembre di u 2024