Abstrakt:Wy hawwe in 1550 nm isolator-basearre lithium tantalate waveguide ûntwikkele mei in ferlies fan 0,28 dB / cm en in ringresonator kwaliteitsfaktor fan 1,1 miljoen. De tapassing fan χ(3) net-lineariteit yn net-lineêre fotonika is studearre. De foardielen fan lithium niobate op isolator (LNoI), dy't poerbêste χ(2) en χ(3) net-lineêre eigenskippen eksposearret tegearre mei sterke optyske opsluting troch syn "isolator-on" struktuer, hawwe laat ta wichtige foarútgong yn waveguide technology foar ultrasnelle modulators en yntegreare net-lineêre fotoniken [1-3]. Njonken LN is lithiumtantalaat (LT) ek ûndersocht as in net-lineêr fotonysk materiaal. Yn ferliking mei LN hat LT in hegere optyske skeadrompel en in breder optysk transparânsjefinster [4, 5], hoewol syn optyske parameters, lykas brekingsyndeks en netlineêre koeffizienten, fergelykber binne mei dy fan LN [6, 7]. Sa stiet LToI út as in oar sterk kandidaatmateriaal foar net-lineêre fotonyske applikaasjes mei hege optyske krêft. Boppedat, LToI wurdt in primêr materiaal foar oerflak akoestyske wave (SAW) filter apparaten, fan tapassing yn hege-snelheid mobile en draadloze technologyen. Yn dit ferbân kinne LToI-wafers gewoaner materialen wurde foar fotonyske tapassingen. Lykwols, oant no ta, mar in pear fotonyske apparaten basearre op LToI binne rapportearre, lykas mikrodisk resonators [8] en elektro-optyske faze shifters [9]. Yn dit papier presintearje wy in low-loss LToI waveguide en syn tapassing yn in ring resonator. Derneist leverje wy de χ(3) net-lineêre skaaimerken fan 'e LToI-waveguide.
Wichtige punten:
• It oanbieden fan 4-inch oant 6-inch LToI wafers, tinne-film lithium tantalate wafers, mei toplaach dikten fariearjend fan 100 nm oant 1500 nm, mei help fan húshâldlike technology en folwoeksen prosessen.
• SINOI: Ultra-low ferlies silisium nitride tinne-film wafers.
• SICOI: Hegere suverens semi-isolearjende silisiumkarbid tinne-film substraten foar silisiumkarbid fotonyske yntegreare circuits.
• LTOI: In sterke konkurrint foar lithium niobate, tinne-film lithium tantalate wafers.
• LNOI: 8-inch LNOI stipet de massa produksje fan gruttere tinne-film lithium niobate produkten.
Produksje op isolatorwaveguides:Yn dizze stúdzje brûkten wy 4-inch LToI-wafers. De boppeste LT-laach is in kommersjeel 42 ° rotearre Y-cut LT-substraat foar SAW-apparaten, dat direkt bûn is oan in Si-substraat mei in 3 µm dikke termyske oksidelaach, mei in tûk snijproses. Figuer 1 (a) toant in top werjefte fan de LToI wafer, mei de top LT laach dikte fan 200 nm. Wy beoardielje de rûchheid fan it oerflak fan 'e boppeste LT-laach mei atomyske krêftmikroskopie (AFM).
figuer 1.(a) Boaiemoansicht fan 'e LToI-wafer, (b) AFM-ôfbylding fan it oerflak fan' e boppeste LT-laach, (c) PFM-ôfbylding fan it oerflak fan 'e boppeste LT-laach, (d) Skematyske dwerstrochsneed fan 'e LToI-waveguide, (e) Berekkene fûnemintele TE-modusprofyl, en (f) SEM-ôfbylding fan 'e LToI-waveguide-kearn foar SiO2-overlayerôfsetting. Lykas werjûn yn figuer 1 (b), is de oerflak rûchheid minder as 1 nm, en gjin kras rigels waarden waarnommen. Derneist ûndersochten wy de polarisaasjetastân fan 'e boppeste LT-laach mei piëzoelektryske antwurdkrêftmikroskopie (PFM), lykas ôfbylde yn figuer 1 (c). Wy befêstige dat unifoarme polarisaasje waard hanthavene sels nei it bonding proses.
Mei dit LToI-substraat hawwe wy de waveguide as folget makke. Earst waard in metalen maskerlaach dellein foar it folgjende droege etsen fan 'e LT. Dêrnei waard elektroanenbeam (EB) litografy útfierd om it waveguide-kearnpatroan boppe op 'e metalen maskerlaach te definiearjen. Dêrnei hawwe wy it EB-resistpatroan oerdroegen oan 'e metalen maskerlaach fia droege etsen. Neitiid waard de LToI-waveguide-kearn foarme mei elektroanen cyclotron resonânsje (ECR) plasma-etsen. Ta beslút, de metalen masker laach waard fuortsmiten troch in wiet proses, en in SiO2 overlayer waard dellein mei help fan plasma-ferbettere gemyske damp deposition. Figuer 1 (d) toant de skematyske dwerstrochsneed fan de LToI waveguide. De totale kearnhichte, plaathichte en kearnbreedte binne respektivelik 200 nm, 100 nm en 1000 nm. Tink derom dat de kearnbreedte útwreidet nei 3 µm oan 'e golfgeleiderrâne foar glêstriedkoppeling.
Figuer 1 (e) toant de berekkene optyske yntinsiteit ferdieling fan de fûnemintele transverse elektryske (TE) modus op 1550 nm. Figuer 1 (f) toant it skennen elektroanenmikroskoop (SEM) byld fan 'e LToI waveguide kearn foar de delsetting fan de SiO2 overlayer.
Waveguide eigenskippen:Wy evaluearre earst de lineêre ferlieskarakteristiken troch it ynfieren fan TE-polarisearre ljocht fan in 1550 nm golflingte fersterke spontane emisjeboarne yn LToI-waveguides fan ferskate lingten. It fuortplantingsferlies waard krigen fan 'e helling fan' e relaasje tusken waveguide-lingte en oerdracht op elke golflingte. De mjitten fuortplantingsferlies wiene 0.32, 0.28 en 0.26 dB / cm by respektivelik 1530, 1550 en 1570 nm, lykas werjûn yn figuer 2 (a). De fabrisearre LToI-waveguides eksposearren fergelykbere prestaasjes mei lege ferlies mei state-of-the-art LNoI-waveguides [10].
Folgjende, wy beoardiele de χ (3) net-lineariteit troch de golflingte konverzje generearre troch in fjouwer-wave mixing proses. Wy ynfiere in trochgeande weachpompljocht op 1550.0 nm en in sinjaalljocht op 1550.6 nm yn in 12 mm lange waveguide. Lykas werjûn yn figuer 2 (b), ferhege de faze-konjugat (idler) ljochtwelle-sinjaalintensiteit mei tanimmende ynfierkrêft. De ynset yn figuer 2 (b) lit it typyske útfierspektrum fan 'e fjouwer-wave-minging sjen. Fanút de relaasje tusken ynfierkrêft en konverzje-effisjinsje, skatte wy de netlineêre parameter (γ) om sawat 11 W^-1m te wêzen.
figuer 3.(a) Mikroskoopôfbylding fan 'e fabrisearre ringresonator. (b) Transmission spektra fan de ring resonator mei ferskate gap parameters. (c) Metten en Lorentzian-ynrjochte oerdrachtspektrum fan 'e ringresonator mei in gat fan 1000 nm.
Folgjende, wy fabrisearre in LToI ring resonator en evaluearre syn skaaimerken. Figure 3 (a) toant de optyske mikroskoop byld fan de fabrisearre ring resonator. De ringresonator hat in "racetrack" konfiguraasje, besteande út in bûgde regio mei in straal fan 100 µm en in rjochte regio fan 100 µm yn lingte. De gap breedte tusken de ring en de bus waveguide kearn fariearret yn stappen fan 200 nm, spesifyk by 800, 1000, en 1200 nm. figuer 3 (b) toant de oerdracht spektra foar eltse gat, wat oanjout dat de útstjerren ratio feroaret mei de gat grutte. Ut dizze spektra hawwe wy bepaald dat de gap fan 1000 nm hast krityske koppelingsbetingsten leveret, om't it de heechste útstjerringsferhâlding fan -26 dB toant.
Mei help fan de kritysk keppele resonator, skatte wy de kwaliteit faktor (Q faktor) troch fitting it lineêre oerdracht spektrum mei in Lorentzianske kromme, it krijen fan in ynterne Q faktor fan 1,1 miljoen, lykas werjûn yn figuer 3 (c). Foar ús kennis is dit de earste demonstraasje fan in waveguide-keppele LToI-ringresonator. Opmerklik is de Q-faktorwearde dy't wy hawwe berikt signifikant heger as dy fan fiber-keppele LToI-mikrodisk-resonators [9].
Konklúzje:Wy ûntwikkele in LToI-waveguide mei in ferlies fan 0.28 dB / cm by 1550 nm en in ringresonator Q-faktor fan 1.1 miljoen. De prestaasje krigen is te fergelykjen mei dy fan state-of-the-art low-loss LNoI waveguides. Derneist ûndersochten wy de χ(3) netlineariteit fan 'e produsearre LToI-waveguide foar net-lineêre applikaasjes op chip.
Post tiid: Nov-20-2024