Abstrakt:Wir haben einen 1550 nm Isolator-basierten Lithiumtantalat-Wellenleiter mit einem Verlust von 0,28 dB/cm und einem Ringresonator-Gütefaktor von 1,1 Million entwickelt. Die Anwendung der χ(3)-Nichtlinearität in der nichtlinearen Photonik wurde untersucht. Die Vorteile von Lithiumniobat auf Isolator (LNoI), das hervorragende χ(2)- und χ(3)-nichtlineare Eigenschaften sowie aufgrund seiner „Isolator-auf“-Struktur eine starke optische Einschließung aufweist, haben zu bedeutenden Fortschritten in der Wellenleitertechnologie für ultraschnelle Modulatoren und integrierte nichtlineare Photonik geführt [1-3]. Neben LN wurde auch Lithiumtantalat (LT) als nichtlineares photonisches Material untersucht. Im Vergleich zu LN hat LT eine höhere optische Zerstörschwelle und ein breiteres optisches Transparenzfenster [4, 5], obwohl seine optischen Parameter wie Brechungsindex und nichtlineare Koeffizienten denen von LN ähnlich sind [6, 7]. Somit ist LToI ein weiterer vielversprechender Materialkandidat für nichtlineare photonische Anwendungen mit hoher optischer Leistung. Darüber hinaus entwickelt sich LToI zu einem wichtigen Material für Oberflächenwellenfilter (SAW), die in Hochgeschwindigkeits-Mobilfunk- und drahtlosen Technologien eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang könnten LToI-Wafer zu einem gängigeren Material für photonische Anwendungen werden. Bisher wurden jedoch nur wenige photonische Bauelemente auf LToI-Basis beschrieben, wie beispielsweise Mikroscheibenresonatoren [8] und elektrooptische Phasenschieber [9]. In dieser Arbeit stellen wir einen verlustarmen LToI-Wellenleiter und seine Anwendung in einem Ringresonator vor. Zusätzlich beschreiben wir die nichtlinearen χ(3)-Eigenschaften des LToI-Wellenleiters.
Wichtige Punkte:
• Angebot von 4- bis 6-Zoll-LToI-Wafern, Dünnschicht-Lithiumtantalat-Wafern mit Deckschichtdicken von 100 nm bis 1500 nm unter Verwendung einheimischer Technologie und ausgereifter Prozesse.
• SINOI: Siliziumnitrid-Dünnschichtwafer mit extrem geringen Verlusten.
• SICOI: Hochreine halbisolierende Siliziumkarbid-Dünnschichtsubstrate für photonische integrierte Siliziumkarbid-Schaltkreise.
• LTOI: Ein starker Konkurrent zu Lithiumniobat, dünnschichtigen Lithiumtantalat-Wafern.
• LNOI: 8-Zoll-LNOI zur Unterstützung der Massenproduktion von Dünnschicht-Lithiumniobatprodukten in größerem Maßstab.
Herstellung von Isolator-Wellenleitern:In dieser Studie verwendeten wir 4-Zoll-LToI-Wafer. Die obere LT-Schicht besteht aus einem kommerziellen, um 42° gedrehten Y-Schnitt-LT-Substrat für SAW-Bauelemente, das mithilfe eines intelligenten Schneidverfahrens direkt mit einem Si-Substrat mit einer 3 µm dicken thermischen Oxidschicht verbunden ist. Abbildung 1(a) zeigt eine Draufsicht des LToI-Wafers mit einer 200 nm dicken oberen LT-Schicht. Die Oberflächenrauheit der oberen LT-Schicht wurde mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht.
Abbildung 1.(a) Draufsicht des LToI-Wafers, (b) AFM-Bild der Oberfläche der oberen LT-Schicht, (c) PFM-Bild der Oberfläche der oberen LT-Schicht, (d) Schematischer Querschnitt des LToI-Wellenleiters, (e) Berechnetes fundamentales TE-Modenprofil und (f) SEM-Bild des LToI-Wellenleiterkerns vor der Abscheidung der SiO2-Deckschicht. Wie in Abbildung 1 (b) dargestellt, beträgt die Oberflächenrauheit weniger als 1 nm, und es wurden keine Kratzspuren beobachtet. Zusätzlich untersuchten wir den Polarisationszustand der oberen LT-Schicht mittels piezoelektrischer Response-Force-Mikroskopie (PFM), wie in Abbildung 1 (c) dargestellt. Wir bestätigten, dass die gleichmäßige Polarisation auch nach dem Bondprozess erhalten blieb.
Unter Verwendung dieses LToI-Substrats haben wir den Wellenleiter wie folgt hergestellt. Zunächst wurde eine Metallmaskenschicht für das anschließende Trockenätzen des LT aufgebracht. Dann wurde mittels Elektronenstrahllithografie (EB) das Wellenleiterkernmuster auf der Metallmaskenschicht definiert. Als nächstes haben wir das EB-Resistmuster mittels Trockenätzen auf die Metallmaskenschicht übertragen. Danach wurde der LToI-Wellenleiterkern mittels Elektronenzyklotronresonanz (ECR)-Plasmaätzen geformt. Schließlich wurde die Metallmaskenschicht in einem Nassverfahren entfernt und mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung eine SiO2-Deckschicht aufgebracht. Abbildung 1 (d) zeigt den schematischen Querschnitt des LToI-Wellenleiters. Die Gesamtkernhöhe, Plattenhöhe und Kernbreite betragen 200 nm, 100 nm bzw. 1000 nm. Beachten Sie, dass sich die Kernbreite am Wellenleiterrand für die Glasfaserkopplung auf 3 µm erweitert.
Abbildung 1 (e) zeigt die berechnete optische Intensitätsverteilung des fundamentalen transversalen elektrischen (TE) Modus bei 1550 nm. Abbildung 1 (f) zeigt das Rasterelektronenmikroskop (SEM)-Bild des LToI-Wellenleiterkerns vor der Abscheidung der SiO2-Deckschicht.
Wellenleitereigenschaften:Wir untersuchten zunächst die linearen Verlusteigenschaften, indem wir TE-polarisiertes Licht einer verstärkten spontanen Emissionsquelle mit einer Wellenlänge von 1550 nm in LToI-Wellenleiter unterschiedlicher Länge einspeisten. Der Ausbreitungsverlust wurde aus der Steigung der Beziehung zwischen Wellenleiterlänge und Transmission bei jeder Wellenlänge ermittelt. Die gemessenen Ausbreitungsverluste betrugen 0,32, 0,28 und 0,26 dB/cm bei 1530, 1550 und 1570 nm, wie in Abbildung 2 (a) dargestellt. Die hergestellten LToI-Wellenleiter zeigten eine vergleichbar geringe Verlustleistung wie modernste LNoI-Wellenleiter [10].
Anschließend untersuchten wir die χ(3)-Nichtlinearität anhand der Wellenlängenumwandlung durch einen Vierwellen-Mischprozess. Wir speisten ein kontinuierliches Pumplicht mit 1550,0 nm und ein Signallicht mit 1550,6 nm in einen 12 mm langen Wellenleiter ein. Wie in Abbildung 2 (b) dargestellt, nahm die Signalintensität der phasenkonjugierten (Leerlauf-)Lichtwelle mit zunehmender Eingangsleistung zu. Der Einschub in Abbildung 2 (b) zeigt das typische Ausgangsspektrum der Vierwellen-Mischung. Aus der Beziehung zwischen Eingangsleistung und Umwandlungseffizienz schätzten wir den nichtlinearen Parameter (γ) auf ca. 11 W^-1m.
Abbildung 3.(a) Mikroskopaufnahme des hergestellten Ringresonators. (b) Transmissionsspektrum des Ringresonators mit verschiedenen Spaltparametern. (c) Gemessenes und Lorentz-angepasstes Transmissionsspektrum des Ringresonators mit einem Spalt von 1000 nm.
Anschließend fertigten wir einen LToI-Ringresonator und untersuchten dessen Eigenschaften. Abbildung 3 (a) zeigt die optische Mikroskopaufnahme des hergestellten Ringresonators. Der Ringresonator weist eine „Rennbahn“-Konfiguration auf, bestehend aus einem gekrümmten Bereich mit einem Radius von 100 µm und einem geraden Bereich von 100 µm Länge. Die Spaltbreite zwischen Ring und Bus-Wellenleiterkern variiert in Schritten von 200 nm, insbesondere bei 800, 1000 und 1200 nm. Abbildung 3 (b) zeigt die Transmissionsspektren für jeden Spalt und zeigt, dass sich das Extinktionsverhältnis mit der Spaltgröße ändert. Aus diesen Spektren konnten wir ableiten, dass der 1000-nm-Spalt nahezu kritische Kopplungsbedingungen bietet, da er das höchste Extinktionsverhältnis von -26 dB aufweist.
Mithilfe des kritisch gekoppelten Resonators haben wir den Qualitätsfaktor (Q-Faktor) durch Anpassung des linearen Transmissionsspektrums an eine Lorentzkurve geschätzt und einen internen Q-Faktor von 1,1 Millionen erhalten, wie in Abbildung 3 (c) dargestellt. Unseres Wissens ist dies die erste Demonstration eines wellenleitergekoppelten LToI-Ringresonators. Bemerkenswert ist, dass der von uns erreichte Q-Faktor deutlich höher ist als der von fasergekoppelten LToI-Mikroscheibenresonatoren [9].
Abschluss:Wir haben einen LToI-Wellenleiter mit einem Verlust von 0,28 dB/cm bei 1550 nm und einem Ringresonator-Q-Faktor von 1,1 Millionen entwickelt. Die erzielte Leistung ist vergleichbar mit der modernster verlustarmer LNoI-Wellenleiter. Zusätzlich untersuchten wir die χ(3)-Nichtlinearität des hergestellten LToI-Wellenleiters für nichtlineare On-Chip-Anwendungen.
Veröffentlichungszeit: 20. November 2024