Resumo:Desenvolvemos unha guía de ondas de tantalato de litio baseada en illante de 1550 nm cunha perda de 0,28 dB/cm e un factor de calidade do resonador de anel de 1,1 millóns. Estudouse a aplicación da non linealidade χ(3) en fotónica non lineal. As vantaxes do niobato de litio sobre o illante (LNoI), que presenta excelentes propiedades non lineais de χ(2) e χ(3) xunto cun forte confinamento óptico debido á súa estrutura "illante", levaron a avances significativos na tecnoloxía de guías de ondas para moduladores ultrarrápidos e fotónica non lineal integrada [1-3]. Ademais do LN, o tantalato de litio (LT) tamén se investigou como material fotónico non lineal. En comparación co LN, o LT ten un limiar de dano óptico máis alto e unha xanela de transparencia óptica máis ampla [4, 5], aínda que os seus parámetros ópticos, como o índice de refracción e os coeficientes non lineais, son similares aos do LN [6, 7]. Polo tanto, o LToI destaca como outro forte material candidato para aplicacións fotónicas non lineais de alta potencia óptica. Ademais, o LToI está a converterse nun material primario para dispositivos de filtro de ondas acústicas superficiais (SAW), aplicables en tecnoloxías móbiles e sen fíos de alta velocidade. Neste contexto, as obleas de LToI poden converterse en materiais máis comúns para aplicacións fotónicas. Non obstante, ata a data, só se informaron duns poucos dispositivos fotónicos baseados en LToI, como os resonadores de microdiscos [8] e os cambiadores de fase electroópticos [9]. Neste artigo, presentamos unha guía de ondas LToI de baixa perda e a súa aplicación nun resonador de anel. Ademais, proporcionamos as características non lineais χ(3) da guía de ondas LToI.
Puntos clave:
• Ofrecemos obleas LToI de 4 a 6 polgadas, obleas de tantalato de litio de película fina, con grosores de capa superior que van dende 100 nm ata 1500 nm, utilizando tecnoloxía nacional e procesos maduros.
• SINOI: Obleas de película fina de nitruro de silicio de perdas ultrabaxas.
• SICOI: Substratos de película fina de carburo de silicio semiillantes de alta pureza para circuítos integrados fotónicos de carburo de silicio.
• LTOI: Un forte competidor para as obleas de niobato de litio e tantalato de litio de película fina.
• LNOI: LNOI de 8 polgadas que admite a produción en masa de produtos de niobato de litio de película fina a maior escala.
Fabricación en guías de onda illantes:Neste estudo, empregamos obleas LToI de 4 polgadas. A capa LT superior é un substrato LT comercial de corte en Y rotado a 42° para dispositivos SAW, que está unido directamente a un substrato de Si cunha capa de óxido térmico de 3 µm de grosor, empregando un proceso de corte intelixente. A figura 1(a) mostra unha vista superior da oblea LToI, cun grosor da capa LT superior de 200 nm. Avaliamos a rugosidade superficial da capa LT superior mediante microscopía de forza atómica (AFM).
Figura 1.(a) Vista superior da oblea LToI, (b) Imaxe AFM da superficie da capa LT superior, (c) Imaxe PFM da superficie da capa LT superior, (d) Sección transversal esquemática da guía de ondas LToI, (e) Perfil fundamental do modo TE calculado e (f) Imaxe SEM do núcleo da guía de ondas LToI antes da deposición da capa superior de SiO2. Como se mostra na Figura 1 (b), a rugosidade da superficie é inferior a 1 nm e non se observaron liñas de rabuñadura. Ademais, examinamos o estado de polarización da capa LT superior mediante microscopía de forza de resposta piezoeléctrica (PFM), como se mostra na Figura 1 (c). Confirmamos que a polarización uniforme se mantiña mesmo despois do proceso de unión.
Usando este substrato LToI, fabricamos a guía de ondas do seguinte xeito. Primeiro, depositouse unha capa de máscara metálica para o posterior gravado en seco da LT. Despois, realizouse unha litografía de feixe de electróns (EB) para definir o patrón do núcleo da guía de ondas sobre a capa de máscara metálica. A continuación, transferimos o patrón de resistencia EB á capa de máscara metálica mediante gravado en seco. Posteriormente, formouse o núcleo da guía de ondas LToI mediante gravado por plasma de resonancia ciclotrónica electrónica (ECR). Finalmente, retirouse a capa de máscara metálica mediante un proceso húmido e depositouse unha capa superior de SiO2 mediante deposición química de vapor mellorada por plasma. A figura 1 (d) mostra a sección transversal esquemática da guía de ondas LToI. A altura total do núcleo, a altura da placa e o ancho do núcleo son 200 nm, 100 nm e 1000 nm, respectivamente. Teña en conta que o ancho do núcleo se expande a 3 µm no bordo da guía de ondas para o acoplamento de fibra óptica.
A figura 1 (e) mostra a distribución de intensidade óptica calculada do modo eléctrico transversal (TE) fundamental a 1550 nm. A figura 1 (f) mostra a imaxe de microscopio electrónico de varrido (SEM) do núcleo da guía de ondas LToI antes da deposición da capa superior de SiO2.
Características da guía de ondas:Primeiro avaliamos as características de perda lineal introducindo luz polarizada por TE dunha fonte de emisión espontánea amplificada a 1550 nm de lonxitude de onda en guías de onda LToI de diferentes lonxitudes. A perda de propagación obtívose a partir da pendente da relación entre a lonxitude da guía de onda e a transmisión en cada lonxitude de onda. As perdas de propagación medidas foron de 0,32, 0,28 e 0,26 dB/cm a 1530, 1550 e 1570 nm, respectivamente, como se mostra na Figura 2 (a). As guías de onda LToI fabricadas mostraron un rendemento de baixa perda comparable ás guías de onda LNoI de última xeración [10].
A continuación, avaliamos a non linealidade χ(3) mediante a conversión de lonxitude de onda xerada por un proceso de mestura de catro ondas. Introducimos unha luz de bombeo de onda continua a 1550,0 nm e unha luz de sinal a 1550,6 nm nunha guía de ondas de 12 mm de lonxitude. Como se mostra na Figura 2 (b), a intensidade do sinal da onda de luz conxugada en fase (idler) aumentou ao aumentar a potencia de entrada. O gráfico inserido na Figura 2 (b) mostra o espectro de saída típico da mestura de catro ondas. A partir da relación entre a potencia de entrada e a eficiencia de conversión, estimamos que o parámetro non lineal (γ) é de aproximadamente 11 W^-1m.
Figura 3.(a) Imaxe de microscopio do resonador de anel fabricado. (b) Espectros de transmisión do resonador de anel con varios parámetros de intervalo. (c) Espectro de transmisión medido e axustado por Lorentzia do resonador de anel cun intervalo de 1000 nm.
A continuación, fabricamos un resonador de anel LToI e avaliamos as súas características. A figura 3 (a) mostra a imaxe de microscopio óptico do resonador de anel fabricado. O resonador de anel presenta unha configuración de "pista de carreiras", que consiste nunha rexión curva cun radio de 100 µm e unha rexión recta de 100 µm de lonxitude. O ancho do oco entre o anel e o núcleo da guía de ondas do bus varía en incrementos de 200 nm, concretamente a 800, 1000 e 1200 nm. A figura 3 (b) mostra os espectros de transmisión para cada oco, o que indica que a taxa de extinción cambia co tamaño do oco. A partir destes espectros, determinamos que o oco de 1000 nm proporciona condicións de acoplamento case críticas, xa que presenta a taxa de extinción máis alta de -26 dB.
Usando o resonador acoplado criticamente, estimamos o factor de calidade (factor Q) axustando o espectro de transmisión lineal cunha curva lorentziana, obtendo un factor Q interno de 1,1 millóns, como se mostra na Figura 3 (c). Ata onde sabemos, esta é a primeira demostración dun resonador de anel LToI acoplado a guía de ondas. Cabe destacar que o valor do factor Q que acadamos é significativamente maior que o dos resonadores de microdisco LToI acoplados a fibra [9].
Conclusión:Desenvolvemos unha guía de ondas LToI cunha perda de 0,28 dB/cm a 1550 nm e un factor Q do resonador en anel de 1,1 millóns. O rendemento obtido é comparable ao das guías de ondas LNoI de baixa perda de última xeración. Ademais, investigamos a non linealidade χ(3) da guía de ondas LToI fabricada para aplicacións non lineais en chip.
Data de publicación: 20 de novembro de 2024