Abstrakt:Wir haben einen Lithiumtantalat-Wellenleiter auf Isolatorbasis mit einer Wellenlänge von 1550 nm, einer Dämpfung von 0,28 dB/cm und einem Ringresonator-Gütefaktor 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 aufgrund seiner „Isolator-auf“-Struktur exzellente χ(2)- und χ(3)-nichtlineare Eigenschaften sowie eine starke optische Begrenzung 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 besitzt LT eine höhere optische Zerstörschwelle und ein breiteres optisches Transparenzfenster [4, 5], obwohl seine optischen Parameter, wie Brechungsindex und nichtlineare Koeffizienten, denen von LN ähneln [6, 7]. LToI erweist sich somit als vielversprechendes Kandidatenmaterial für nichtlineare photonische Anwendungen mit hoher optischer Leistung. Darüber hinaus etabliert sich LToI als Hauptmaterial für Oberflächenwellenfilter (SAW-Filter), die in mobilen Hochgeschwindigkeits- und drahtlosen Technologien Anwendung finden. In diesem Zusammenhang könnten LToI-Wafer in photonischen Anwendungen gängiger werden. Bislang wurden jedoch nur wenige photonische Bauelemente auf Basis von LToI vorgestellt, beispielsweise Mikroscheibenresonatoren [8] und elektrooptische Phasenschieber [9]. In diesem Beitrag präsentieren wir einen verlustarmen LToI-Wellenleiter und dessen Anwendung in einem Ringresonator. Zusätzlich stellen wir die nichtlinearen χ(3)-Eigenschaften des LToI-Wellenleiters vor.
Wichtigste Punkte:
• Wir bieten 4- bis 6-Zoll-LToI-Wafer, Dünnschicht-Lithiumtantalat-Wafer, mit Deckschichtdicken von 100 nm bis 1500 nm an und nutzen dabei heimische Technologie und ausgereifte Prozesse.
• SINOI: Siliziumnitrid-Dünnschichtwafer mit extrem niedrigen Verlusten.
• SICOI: Hochreine, halbisolierende Siliziumkarbid-Dünnschichtsubstrate für photonische integrierte Siliziumkarbidschaltungen.
• LTOI: Ein starker Konkurrent für Lithiumniobat-Dünnschicht-Lithiumtantalat-Wafer.
• LNOI: 8-Zoll-LNOI zur Unterstützung der Massenproduktion von Lithiumniobat-Dünnschichtprodukten im größeren Maßstab.
Fertigung auf Isolator-Wellenleitern:In dieser Studie verwendeten wir 4-Zoll-LToI-Wafer. Die obere LT-Schicht besteht aus einem kommerziellen, um 42° gedrehten Y-geschnittenen LT-Substrat für SAW-Bauelemente, das mittels eines intelligenten Schneidverfahrens direkt mit einem Si-Substrat mit einer 3 µm dicken thermischen Oxidschicht verbunden wurde. Abbildung 1(a) zeigt eine Draufsicht auf den LToI-Wafer mit einer Dicke der oberen LT-Schicht von 200 nm. Die Oberflächenrauheit der oberen LT-Schicht wurde mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) bestimmt.
Abbildung 1.(a) Draufsicht auf den LToI-Wafer, (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 Profil des fundamentalen TE-Modus und (f) REM-Bild des LToI-Wellenleiterkerns vor der SiO₂-Deckschichtabscheidung. 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 Antwortkraftmikroskopie (PFM), wie in Abbildung 1 (c) dargestellt. Wir bestätigten, dass die homogene Polarisation auch nach dem Bondprozess erhalten blieb.
Auf diesem LToI-Substrat wurde der Wellenleiter wie folgt hergestellt: Zunächst wurde eine Metallmaskenschicht für das anschließende Trockenätzen des LT aufgebracht. Anschließend wurde mittels Elektronenstrahllithographie (EB-Lithographie) das Wellenleiterkernmuster auf der Metallmaskenschicht definiert. Danach wurde das EB-Resistmuster durch Trockenätzen auf die Metallmaskenschicht übertragen. Im Anschluss daran wurde der LToI-Wellenleiterkern durch Elektronenzyklotronresonanz-Plasmaätzen (ECR-Plasmaätzen) geformt. Abschließend wurde die Metallmaskenschicht nasschemisch entfernt und eine SiO₂-Deckschicht mittels plasmaverstärkter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) aufgebracht. Abbildung 1 (d) zeigt den schematischen Querschnitt des LToI-Wellenleiters. Die Gesamthöhe des Kerns, die Plattenhöhe und die Kernbreite betragen 200 nm, 100 nm bzw. 1000 nm. Die Kernbreite erweitert sich am Wellenleiterrand auf 3 µm für die optische Faserkopplung.
Abbildung 1 (e) zeigt die berechnete optische Intensitätsverteilung des fundamentalen transversalen elektrischen (TE) Modus bei 1550 nm. Abbildung 1 (f) zeigt die Rasterelektronenmikroskop-(REM)-Aufnahme des LToI-Wellenleiterkerns vor der Abscheidung der SiO₂-Deckschicht.
Wellenleitereigenschaften:Zunächst untersuchten wir die linearen Dämpfungseigenschaften, indem wir TE-polarisiertes Licht einer ASP-Quelle (verstärkte spontane Emission) mit einer Wellenlänge von 1550 nm in LToI-Wellenleiter unterschiedlicher Länge einspeisten. Die Ausbreitungsdämpfung wurde aus der Steigung der Beziehung zwischen Wellenleiterlänge und Transmission bei jeder Wellenlänge ermittelt. Die gemessenen Ausbreitungsdämpfungen betrugen 0,32, 0,28 bzw. 0,26 dB/cm bei 1530, 1550 bzw. 1570 nm, wie in Abbildung 2 (a) dargestellt. Die hergestellten LToI-Wellenleiter zeigten eine vergleichbar geringe Dämpfung wie moderne LNoI-Wellenleiter [10].
Anschließend untersuchten wir die χ(3)-Nichtlinearität anhand der Wellenlängenkonversion, die durch einen Vierwellenmischungsprozess erzeugt wurde. Wir leiteten kontinuierliches Pumplicht bei 1550,0 nm und Signallicht bei 1550,6 nm in einen 12 mm langen Wellenleiter ein. Wie in Abbildung 2 (b) dargestellt, stieg die Intensität des phasenkonjugierten (Leerlauf-)Lichtsignals mit zunehmender Eingangsleistung. Der Ausschnitt in Abbildung 2 (b) zeigt das typische Ausgangsspektrum der Vierwellenmischung. Aus dem Zusammenhang zwischen Eingangsleistung und Konversionseffizienz schätzten wir den nichtlinearen Parameter (γ) auf etwa 11 W⁻¹m.
Abbildung 3.(a) Mikroskopische Aufnahme des gefertigten Ringresonators. (b) Transmissionsspektren des Ringresonators mit verschiedenen Spaltparametern. (c) Gemessenes und mit einer Lorentz-Funktion angepasstes Transmissionsspektrum des Ringresonators mit einem Spalt von 1000 nm.
Anschließend fertigten wir einen LToI-Ringresonator an und untersuchten seine Eigenschaften. Abbildung 3 (a) zeigt die optische Mikroskopaufnahme des gefertigten Ringresonators. Dieser weist eine „Rennstrecken“-Konfiguration auf, bestehend aus einem gekrümmten Bereich mit einem Radius von 100 µm und einem geraden Bereich mit einer Länge von 100 µm. Die Spaltbreite zwischen Ring und Buswellenleiterkern variiert in Schritten von 200 nm, konkret bei 800, 1000 und 1200 nm. Abbildung 3 (b) zeigt die Transmissionsspektren für die einzelnen Spaltbreiten. Daraus geht hervor, dass sich das Extinktionsverhältnis mit der Spaltbreite ändert. Aus diesen Spektren ermittelten wir, dass der 1000-nm-Spalt nahezu kritische Kopplungsbedingungen bietet, da er das höchste Extinktionsverhältnis von -26 dB aufweist.
Mithilfe des kritisch gekoppelten Resonators bestimmten wir den Gütefaktor (Q-Faktor) durch Anpassen des linearen Transmissionsspektrums an eine Lorentz-Kurve und erhielten einen internen Q-Faktor von 1,1 Millionen, wie in Abbildung 3 (c) dargestellt. Unseres Wissens ist dies die erste Demonstration eines wellenleitergekoppelten LToI-Ringresonators. Bemerkenswerterweise ist der von uns erzielte Q-Faktor-Wert deutlich höher als der von fasergekoppelten LToI-Mikroscheibenresonatoren [9].
Abschluss:Wir haben einen LToI-Wellenleiter mit einer Dämpfung von 0,28 dB/cm bei 1550 nm und einem Ringresonator-Q-Faktor von 1,1 Millionen entwickelt. Die erzielten Eigenschaften sind vergleichbar mit denen moderner verlustarmer LNoI-Wellenleiter. Zusätzlich untersuchten wir die χ(3)-Nichtlinearität des hergestellten LToI-Wellenleiters für nichtlineare Anwendungen auf einem Chip.
Veröffentlichungsdatum: 20. November 2024