Abstrakt:Wir haben einen 1550-nm-Lithiumtantalat-Wellenleiter auf Isolatorbasis mit einem Verlust von 0,28 dB/cm und einem Ringresonator-Qualitätsfaktor von 1,1 Millionen entwickelt. Die Anwendung der χ(3)-Nichtlinearität in der nichtlinearen Photonik wurde untersucht. Die Vorteile von Lithiumniobat auf Isolator (LNoI), das hervorragende nichtlineare χ(2)- und χ(3)-Eigenschaften sowie eine starke optische Eingrenzung aufgrund seiner „Isolator-on“-Struktur aufweist, haben zu erheblichen Fortschritten in der Wellenleitertechnologie für Ultrakurzwellen geführt Modulatoren und integrierte nichtlineare Photonik [1-3]. Neben LN wurde auch Lithiumtantalat (LT) als nichtlineares photonisches Material untersucht. Im Vergleich zu LN weist LT eine höhere optische Schadensschwelle und ein breiteres optisches Transparenzfenster auf [4, 5], obwohl seine optischen Parameter, wie Brechungsindex und nichtlineare Koeffizienten, denen von LN ähneln [6, 7]. Somit ist LToI ein weiteres starkes Kandidatenmaterial für nichtlineare photonische Anwendungen mit hoher optischer Leistung. Darüber hinaus entwickelt sich LToI zu einem Hauptmaterial für Oberflächenwellenfiltergeräte (SAW), die in mobilen und drahtlosen Hochgeschwindigkeitstechnologien eingesetzt werden können. In diesem Zusammenhang könnten LToI-Wafer zu häufigeren Materialien für photonische Anwendungen werden. Bisher wurden jedoch nur wenige auf LToI basierende photonische Geräte beschrieben, beispielsweise Mikroscheibenresonatoren [8] und elektrooptische Phasenschieber [9]. In diesem Artikel stellen wir einen verlustarmen LToI-Wellenleiter und seine Anwendung in einem Ringresonator vor. Zusätzlich stellen wir die nichtlinearen χ(3)-Eigenschaften des LToI-Wellenleiters bereit.
Kernpunkte:
• Angebot von 4-Zoll- bis 6-Zoll-LToI-Wafern, Dünnschicht-Lithium-Tantalat-Wafern, mit Deckschichtdicken von 100 nm bis 1500 nm unter Nutzung einheimischer Technologie und ausgereifter Prozesse.
• SINOI: Ultra-verlustarme Siliziumnitrid-Dünnschichtwafer.
• SICOI: Hochreine halbisolierende Siliziumkarbid-Dünnschichtsubstrate für photonische integrierte Siliziumkarbid-Schaltkreise.
• LTOI: Ein starker Konkurrent zu Lithiumniobat- und Dünnschicht-Lithiumtantalat-Wafern.
• LNOI: 8-Zoll-LNOI zur Unterstützung der Massenproduktion größerer Dünnschicht-Lithiumniobat-Produkte.
Herstellung auf Isolatorwellenleitern:In dieser Studie verwendeten wir 4-Zoll-LToI-Wafer. Die obere LT-Schicht ist ein handelsübliches, um 42° gedrehtes Y-Schnitt-LT-Substrat für SAW-Geräte, das mithilfe eines intelligenten Schneidprozesses direkt mit einem Si-Substrat mit einer 3 µm dicken thermischen Oxidschicht verbunden wird. Abbildung 1(a) zeigt eine Draufsicht des LToI-Wafers mit einer Dicke der oberen LT-Schicht von 200 nm. Wir haben die Oberflächenrauheit der oberen LT-Schicht mithilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM) beurteilt.
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 grundlegendes TE-Modenprofil und (f) SEM-Bild des LToI-Wellenleiterkerns vor der Abscheidung der SiO2-Überschicht. Wie in Abbildung 1 (b) dargestellt, beträgt die Oberflächenrauheit weniger als 1 nm und es wurden keine Kratzlinien beobachtet. Zusätzlich untersuchten wir den Polarisationszustand der oberen LT-Schicht mithilfe der piezoelektrischen Reaktionskraftmikroskopie (PFM), wie in Abbildung 1 (c) dargestellt. Wir haben bestätigt, dass die gleichmäßige Polarisation auch nach dem Klebevorgang erhalten blieb.
Unter Verwendung dieses LToI-Substrats haben wir den Wellenleiter wie folgt hergestellt. Zunächst wurde eine Metallmaskenschicht für die anschließende Trockenätzung des LT abgeschieden. Anschließend wurde eine Elektronenstrahllithographie (EB) durchgeführt, um das Wellenleiterkernmuster auf der Metallmaskenschicht zu definieren. Als nächstes haben wir das EB-Resistmuster durch Trockenätzen auf die Metallmaskenschicht übertragen. Anschließend wurde der LToI-Wellenleiterkern durch Plasmaätzen mit Elektronenzyklotronresonanz (ECR) gebildet. Abschließend wurde die Metallmaskenschicht durch einen Nassprozess entfernt und eine SiO2-Deckschicht mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung abgeschieden. Abbildung 1 (d) zeigt den schematischen Querschnitt des LToI-Wellenleiters. Die gesamte Kernhöhe, Plattenhöhe und Kernbreite betragen 200 nm, 100 nm bzw. 1000 nm. Beachten Sie, dass sich die Kernbreite am Wellenleiterrand für die optische Faserkopplung auf 3 µm erweitert.
Abbildung 1 (e) zeigt die berechnete optische Intensitätsverteilung des fundamentalen transversalen elektrischen Modus (TE) bei 1550 nm. Abbildung 1 (f) zeigt das Rasterelektronenmikroskopbild (REM) des LToI-Wellenleiterkerns vor der Abscheidung der SiO2-Überschicht.
Wellenleitereigenschaften:Wir haben zunächst die linearen Verlusteigenschaften bewertet, indem wir TE-polarisiertes Licht von einer verstärkten spontanen Emissionsquelle mit einer Wellenlänge von 1550 nm in LToI-Wellenleiter unterschiedlicher Länge eingegeben haben. 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 bzw. 1570 nm, wie in Abbildung 2 (a) dargestellt. Die hergestellten LToI-Wellenleiter zeigten eine vergleichbar verlustarme Leistung wie hochmoderne LNoI-Wellenleiter [10].
Als nächstes bewerteten wir die χ(3)-Nichtlinearität durch die Wellenlängenkonvertierung, die durch einen Vierwellen-Mischprozess erzeugt wurde. Wir geben ein Dauerstrich-Pumplicht bei 1550,0 nm und ein Signallicht bei 1550,6 nm in einen 12 mm langen Wellenleiter ein. Wie in Abbildung 2 (b) gezeigt, nahm die Intensität des phasenkonjugierten (Leerlauf)-Lichtwellensignals mit zunehmender Eingangsleistung zu. Der Einschub in Abbildung 2 (b) zeigt das typische Ausgangsspektrum der Vierwellenmischung. Aus der Beziehung zwischen Eingangsleistung und Umwandlungseffizienz haben wir den nichtlinearen Parameter (γ) auf etwa 11 W^-1m geschätzt.
Abbildung 3.(a) Mikroskopbild des hergestellten Ringresonators. (b) Transmissionsspektren des Ringresonators mit verschiedenen Lückenparametern. (c) Gemessenes und Lorentz-angepasstes Transmissionsspektrum des Ringresonators mit einer Lücke von 1000 nm.
Als nächstes stellten wir einen LToI-Ringresonator her und bewerteten seine Eigenschaften. Abbildung 3 (a) zeigt das optische Mikroskopbild 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 mit 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 jede Lücke, was darauf hinweist, dass sich das Extinktionsverhältnis mit der Lückengröße ändert. Anhand dieser Spektren haben wir festgestellt, dass die 1000-nm-Lücke nahezu kritische Kopplungsbedingungen bietet, da sie das höchste Extinktionsverhältnis von -26 dB aufweist.
Unter Verwendung des kritisch gekoppelten Resonators haben wir den Qualitätsfaktor (Q-Faktor) geschätzt, indem wir das lineare Übertragungsspektrum an eine Lorentz-Kurve angepasst haben und einen internen Q-Faktor von 1,1 Millionen erhalten haben, wie in Abbildung 3 (c) dargestellt. Unseres Wissens ist dies die erste Demonstration eines wellenleitergekoppelten LToI-Ringresonators. Bemerkenswert ist, dass der von uns erzielte Q-Faktor-Wert deutlich höher ist als der von fasergekoppelten LToI-Mikroplattenresonatoren [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 von hochmodernen verlustarmen LNoI-Wellenleitern. Darüber hinaus untersuchten wir die χ(3)-Nichtlinearität des hergestellten LToI-Wellenleiters für nichtlineare On-Chip-Anwendungen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 20. November 2024