LiTaO3 Wafer PIC — Guía de ondas de tantalato de litio de baixa perda sobre illante para fotónica non lineal en chip

Resumo:Desenvolvemos unha guía de ondas de tantalato de litio baseada en illantes de 1550 nm cunha perda de 0,28 dB/cm e un factor de calidade do resonador de anel de 1,1 millóns. Estudou a aplicación da non linealidade χ(3) na fotónica non lineal. As vantaxes do niobato de litio no illante (LNoI), que presenta excelentes propiedades non lineais χ(2) e χ(3) xunto cun forte confinamento óptico debido á súa estrutura "illante", levaron a avances significativos na tecnoloxía de guía de ondas para ultrarrápidas. moduladores 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 ventá 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 de LN [6, 7]. Así, LToI destaca como outro material forte candidato para aplicacións fotónicas non lineais de alta potencia óptica. Ademais, LToI estase a converter nun material primario para os dispositivos de filtro de ondas acústicas de superficie (SAW), aplicables en tecnoloxías móbiles e sen fíos de alta velocidade. Neste contexto, as obleas LToI poden converterse en materiais máis comúns para aplicacións fotónicas. Porén, ata a data, só se informaron algúns dispositivos fotónicos baseados en LToI, como os resonadores de microdiscos [8] e os desfasadores electro-ópticos [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:
• Ofrece obleas LToI de 4 polgadas a 6 polgadas, obleas de tantalato de litio de película fina, con espesores de capa superior que van de 100 nm a 1500 nm, utilizando tecnoloxía doméstica e procesos maduros.
• SINOI: obleas de película delgada de nitruro de silicio con perdas ultra baixas.
• SICOI: substratos de película fina de carburo de silicio semiillante de alta pureza para circuítos integrados fotónicos de carburo de silicio.
• LTOI: un forte competidor para o niobato de litio, obleas de 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 ondas illantes:Neste estudo, utilizamos obleas LToI de 4 polgadas. A capa superior LT é un substrato LT comercial de corte en Y rotado 42° para dispositivos SAW, que está unido directamente a un substrato de Si cunha capa de óxido térmico de 3 µm de espesor, empregando un proceso de corte intelixente. A figura 1 (a) mostra unha vista superior da oblea LToI, co grosor da capa superior LT de 200 nm. Avaliamos a rugosidade da superficie da capa superior de LT mediante microscopía de forza atómica (AFM).

微信图片_20241115152752

Figura 1.(a) Vista superior da oblea LToI, (b) Imaxe AFM da superficie da capa superior LT, (c) Imaxe PFM da superficie da capa superior LT, (d) Sección transversal esquemática da guía de ondas LToI, ( e ) Perfil de modo TE fundamental 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 raspado. Ademais, examinamos o estado de polarización da capa superior LT mediante microscopía de forza de resposta piezoeléctrica (PFM), como se mostra na Figura 1 (c). Confirmamos que a polarización uniforme se mantivo mesmo despois do proceso de unión.
Usando este substrato LToI, fabricamos a guía de ondas do seguinte xeito. En primeiro lugar, depositouse unha capa de máscara metálica para o posterior gravado en seco do LT. Despois, realizouse unha litografía de feixe de electróns (EB) para definir o patrón do núcleo da guía de ondas na parte superior da capa de máscara metálica. A continuación, transferimos o patrón de resistencia EB á capa de máscara metálica mediante gravado en seco. Despois, o núcleo da guía de ondas LToI formouse mediante gravado por plasma de resonancia de ciclotrón electrónico (ECR). Finalmente, a capa de máscara metálica eliminouse mediante un proceso húmido e depositouse unha capa de SiO2 mediante deposición química en vapor potenciada con 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 ata 3 µm no bordo da guía de ondas para o acoplamento da fibra óptica.
A figura 1 (e) mostra a distribución de intensidade óptica calculada do modo eléctrico transversal fundamental (TE) a 1550 nm. A figura 1 (f) mostra a imaxe do microscopio electrónico de varrido (SEM) do núcleo da guía de ondas LToI antes da deposición da capa de SiO2.
Características da guía de ondas:Primeiro avaliamos as características de perda lineal introducindo luz polarizada por TE desde unha fonte de emisión espontánea amplificada de lonxitude de onda de 1550 nm en guías de ondas LToI de lonxitudes variables. A perda de propagación obtívose a partir da pendente da relación entre a lonxitude da guía de ondas 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 ondas LToI fabricadas mostraron un rendemento de baixa perda comparable ás guías de ondas LNoI de última xeración [10].
A continuación, avaliamos a non linealidade de χ(3) mediante a conversión de lonxitude de onda xerada por un proceso de mestura de catro ondas. Introducimos unha luz de bomba 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 (ociosa) aumentou co aumento da potencia de entrada. O recuadro da 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.

微信图片_20241115152802

Figura 3.(a) Imaxe microscópica do resonador de anel fabricado. (b) Espectros de transmisión do resonador de anel con varios parámetros de gap. (c) Espectro de transmisión medido e axustado en Lorentzian do resonador de anel cunha brecha de 1000 nm.
A continuación, fabricamos un resonador de anel LToI e avaliamos as súas características. A figura 3 (a) mostra a imaxe do 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 espazo 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 brecha, o que indica que a relación de extinción cambia co tamaño da brecha. A partir destes espectros, determinamos que a brecha de 1000 nm proporciona condicións de acoplamento case críticas, xa que presenta a relación de extinción máis alta de -26 dB.
Usando o resonador acoplado críticamente, 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). Segundo o noso coñecemento, esta é a primeira demostración dun resonador de anel LToI acoplado a guía de ondas. En particular, o valor do factor Q que conseguimos é significativamente maior que o dos resonadores de microdiscos 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 de resonador de 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 no chip.


Hora de publicación: 20-nov-2024