Abstrakt:Wy hawwe in lithium-tantalaat-golflieder op basis fan 1550 nm ûntwikkele op basis fan isolaasje mei in ferlies fan 0,28 dB/cm en in ringresonatorkwaliteitsfaktor fan 1,1 miljoen. De tapassing fan χ(3) net-lineariteit yn net-lineare fotonika is bestudearre. De foardielen fan lithium-niobat op isolator (LNoI), dy't poerbêste χ(2) en χ(3) net-lineare eigenskippen sjen lit, tegearre mei sterke optyske beheining fanwegen syn "isolator-op"-struktuer, hawwe laat ta wichtige foarútgong yn golfliedertechnology foar ultrasnelle modulatoren en yntegreare net-lineare fotonika [1-3]. Neist LN is lithium-tantalaat (LT) ek ûndersocht as in net-linear 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 net-lineare koëffisiënten, fergelykber binne mei dy fan LN [6, 7]. Sa ûnderskiedt LToI him as in oar sterk kandidaatmateriaal foar net-lineare fotonyske tapassingen mei hege optyske krêft. Boppedat wurdt LToI in primêr materiaal foar filterapparaten foar akoestyske oerflakwellen (SAW), fan tapassing yn mobile en draadloze technologyen mei hege snelheid. Yn dizze kontekst kinne LToI-wafers faker materialen wurde foar fotonyske tapassingen. Oant no ta binne lykwols mar in pear fotonyske apparaten basearre op LToI rapportearre, lykas mikrodiskresonators [8] en elektro-optyske fazeferskowers [9]. Yn dit artikel presintearje wy in LToI-golflieder mei leech ferlies en syn tapassing yn in ringresonator. Derneist leverje wy de χ(3) net-lineare skaaimerken fan 'e LToI-golflieder.
Wichtige punten:
• Oanbieden fan LToI-wafers fan 4 oant 6 inch, tinne-film lithiumtantalaatwafers, mei toplaachdikten fariearjend fan 100 nm oant 1500 nm, gebrûk meitsjend fan húshâldlike technology en folwoeksen prosessen.
• SINOI: Tinne-filmwafers mei ultraleech ferlies fan silisiumnitride.
• SICOI: Heechsuvere heal-isolearjende silisiumkarbide tinne-filmsubstraten foar silisiumkarbide fotonyske yntegreare circuits.
• LTOI: In sterke konkurrint foar lithiumniobat, tinne-film lithiumtantalaatwafers.
• LNOI: 8-inch LNOI dy't de massaproduksje fan gruttere tinne-film lithium niobaatprodukten stipet.
Produksje op isolearjende golflieders:Yn dizze stúdzje hawwe wy 4-inch LToI-wafers brûkt. De boppeste LT-laach is in kommersjeel 42° rotearre Y-snien LT-substraat foar SAW-apparaten, dat direkt ferbûn is mei in Si-substraat mei in 3 µm dikke termyske oksidelaach, mei in tûk snijproses. Figuer 1(a) lit in boppe-oansicht sjen fan 'e LToI-wafer, mei in dikte fan 'e boppeste LT-laach fan 200 nm. Wy hawwe de oerflakteruwheid fan 'e boppeste LT-laach beoardiele mei atoomkrêftmikroskopie (AFM).
Figuer 1.(a) Boppe-oansicht 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-golflieder, (e) Berekkene fûnemintele TE-modusprofyl, en (f) SEM-ôfbylding fan 'e LToI-golfliederkearn foar it ôfsetten fan 'e SiO2-oerlaach. Lykas te sjen is yn figuer 1 (b), is de oerflakteruwheid minder as 1 nm, en waarden gjin kraslinen waarnommen. Derneist hawwe wy de polarisaasjetastân fan 'e boppeste LT-laach ûndersocht mei help fan piezoelektryske responskrêftmikroskopie (PFM), lykas werjûn yn figuer 1 (c). Wy hawwe befêstige dat de unifoarme polarisaasje sels nei it bondingproses behâlden waard.
Mei dit LToI-substraat hawwe wy de golflieder as folget makke. Earst waard in metalen maskerlaach ôfset foar it folgjende droege etsen fan 'e LT. Dêrnei waard elektronenstriel (EB) litografy útfierd om it golfliederkearnpatroan boppe op 'e metalen maskerlaach te definiearjen. Dêrnei hawwe wy it EB-resistpatroan oerdroegen oan 'e metalen maskerlaach fia droech etsen. Dêrnei waard de LToI-golfliederkearn foarme mei elektronsyklotronresonânsje (ECR) plasma-etsen. Uteinlik waard de metalen maskerlaach fuorthelle troch in wiet proses, en in SiO2-oerlaach waard ôfset mei plasma-fersterke gemyske dampôfsetting. Figuer 1 (d) toant de skematyske dwersdoorsnede fan 'e LToI-golflieder. 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 râne fan' e golflieder foar optyske glêstriedkoppeling.
Figuer 1 (e) toant de berekkene optyske yntensiteitsferdieling fan 'e fûnemintele transversale elektryske (TE) modus by 1550 nm. Figuer 1 (f) toant de scanning elektronenmikroskoop (SEM) ôfbylding fan 'e LToI-golfliederkearn foar de ôfsetting fan 'e SiO2-oerlaach.
Karakteristiken fan golflieder:Wy hawwe earst de lineêre ferlieskarakteristiken evaluearre troch TE-polarisearre ljocht fan in 1550 nm golflingte fersterke spontane emisjeboarne yn te fieren yn LToI-golflieders fan ferskate lingten. It ferspriedingsferlies waard krigen út 'e helling fan' e relaasje tusken golfliederlingte en transmissie by elke golflingte. De metten ferspriedingsferliezen wiene 0,32, 0,28 en 0,26 dB/cm by respektivelik 1530, 1550 en 1570 nm, lykas te sjen is yn figuer 2 (a). De fabrisearre LToI-golflieders lieten fergelykbere prestaasjes mei leech ferlies sjen as state-of-the-art LNoI-golflieders [10].
Folgjende hawwe wy de χ(3) net-lineariteit beoardiele fia de golflingtekonverzje generearre troch in fjouwer-weach mingproses. Wy hawwe in trochgeande golfpompljocht by 1550.0 nm en in sinjaalljocht by 1550.6 nm ynfierd yn in 12 mm lange golflieder. Lykas te sjen is yn figuer 2 (b), naam de yntensiteit fan it faze-konjugearre (idler) ljochtgolfsignaal ta mei tanimmend ynfierfermogen. De ynfoegsel yn figuer 2 (b) lit it typyske útfierspektrum fan 'e fjouwer-weach minging sjen. Fanút de relaasje tusken ynfierfermogen en konverzje-effisjinsje hawwe wy de net-lineare parameter (γ) skatte op sawat 11 W^-1m.
Figuer 3.(a) Mikroskoopôfbylding fan 'e makke ringresonator. (b) Transmissiespektra fan 'e ringresonator mei ferskate gapparameters. (c) Metten en Lorentziaansk oanpast transmissiespektrum fan 'e ringresonator mei in gap fan 1000 nm.
Folgjende hawwe wy in LToI-ringresonator makke en de skaaimerken dêrfan evaluearre. Figuer 3 (a) lit de optyske mikroskoopôfbylding fan 'e makke ringresonator sjen. De ringresonator hat in "racetrack"-konfiguraasje, besteande út in kromme regio mei in straal fan 100 µm en in rjochte regio fan 100 µm yn lingte. De breedte fan 'e gat tusken de ring en de busgolfliederkearn fariëarret yn stappen fan 200 nm, spesifyk by 800, 1000 en 1200 nm. Figuer 3 (b) lit de transmissiespektra foar elke gat sjen, wat oanjout dat de ekstinsjeferhâlding feroaret mei de gatgrutte. Ut dizze spektra hawwe wy bepaald dat de gat fan 1000 nm hast krityske koppelingsbetingsten leveret, om't it de heechste ekstinsjeferhâlding fan -26 dB sjen lit.
Mei help fan de kritysk keppele resonator hawwe wy de kwaliteitsfaktor (Q-faktor) skatte troch it lineêre transmissiespektrum oan te passen oan in Lorentz-kromme, wêrtroch't in ynterne Q-faktor fan 1,1 miljoen krigen is, lykas te sjen is yn figuer 3 (c). Foar safier't wy witte, is dit de earste demonstraasje fan in golflieder-keppele LToI-ringresonator. It is opmerklik dat de Q-faktorwearde dy't wy berikt hawwe signifikant heger is as dy fan glêstried-keppele LToI-mikroskiifresonators [9].
Konklúzje:Wy hawwe in LToI-golflieder ûntwikkele mei in ferlies fan 0,28 dB/cm by 1550 nm en in ringresonator Q-faktor fan 1,1 miljoen. De krigen prestaasjes binne te fergelykjen mei dy fan state-of-the-art leech-ferlies LNoI-golflieders. Derneist hawwe wy de χ(3) net-lineariteit fan 'e produsearre LToI-golflieder ûndersocht foar net-lineare tapassingen op in chip.
Pleatsingstiid: 20 novimber 2024