Abstrak:Nakabuo kami ng isang 1550 nm insulator-based lithium tantalate waveguide na may loss na 0.28 dB/cm at ring resonator quality factor na 1.1 milyon. Pinag-aralan ang aplikasyon ng χ(3) nonlinearity sa nonlinear photonics. Ang mga bentahe ng lithium niobate on insulator (LNoI), na nagpapakita ng mahusay na χ(2) at χ(3) nonlinear properties kasama ang malakas na optical confinement dahil sa "insulator-on" structure nito, ay humantong sa mga makabuluhang pagsulong sa teknolohiya ng waveguide para sa mga ultrafast modulator at integrated nonlinear photonics [1-3]. Bukod sa LN, ang lithium tantalate (LT) ay sinisiyasat din bilang isang nonlinear photonic material. Kung ikukumpara sa LN, ang LT ay may mas mataas na optical damage threshold at mas malawak na optical transparency window [4, 5], bagaman ang mga optical parameter nito, tulad ng refractive index at nonlinear coefficients, ay katulad ng sa LN [6, 7]. Kaya naman, ang LToI ay namumukod-tangi bilang isa pang matibay na kandidatong materyal para sa mga high optical power nonlinear photonic applications. Bukod dito, ang LToI ay nagiging pangunahing materyal para sa mga surface acoustic wave (SAW) filter device, na naaangkop sa mga high-speed mobile at wireless na teknolohiya. Sa kontekstong ito, ang mga LToI wafer ay maaaring maging mas karaniwang materyales para sa mga photonic application. Gayunpaman, hanggang sa kasalukuyan, kakaunti lamang ang mga photonic device na nakabatay sa LToI ang naiulat, tulad ng mga microdisk resonator [8] at electro-optic phase shifter [9]. Sa papel na ito, ipinapakita namin ang isang low-loss LToI waveguide at ang aplikasyon nito sa isang ring resonator. Bukod pa rito, ibinibigay namin ang χ(3) nonlinear characteristics ng LToI waveguide.
Mga Pangunahing Punto:
• Nag-aalok ng 4-pulgada hanggang 6-pulgadang LToI wafers, thin-film lithium tantalate wafers, na may kapal ng pang-itaas na patong mula 100 nm hanggang 1500 nm, gamit ang lokal na teknolohiya at mga mature na proseso.
• SINOI: Mga manipis na film wafer na may ultra-low loss na silicon nitride.
• SICOI: Mga high-purity semi-insulating silicon carbide thin-film substrates para sa silicon carbide photonic integrated circuits.
• LTOI: Isang malakas na kakumpitensya sa lithium niobate, thin-film lithium tantalate wafers.
• LNOI: 8-pulgadang LNOI na sumusuporta sa malawakang produksyon ng mas malalaking produktong manipis na pelikula ng lithium niobate.
Paggawa gamit ang mga Waveguide ng Insulator:Sa pag-aaral na ito, gumamit kami ng 4-pulgadang LToI wafers. Ang pang-itaas na LT layer ay isang komersyal na 42° rotated Y-cut LT substrate para sa mga SAW device, na direktang nakakabit sa isang Si substrate na may 3 µm na kapal na thermal oxide layer, na gumagamit ng isang smart cutting process. Ipinapakita ng Figure 1(a) ang pang-itaas na view ng LToI wafer, na may kapal ng pang-itaas na LT layer na 200 nm. Sinuri namin ang surface roughness ng pang-itaas na LT layer gamit ang atomic force microscopy (AFM).
Pigura 1.(a) Tanawin sa itaas ng LToI wafer, (b) Larawan ng AFM ng ibabaw ng itaas na layer ng LT, (c) Larawan ng PFM ng ibabaw ng itaas na layer ng LT, (d) Eskematikong cross-section ng LToI waveguide, (e) Kinalkula ang fundamental TE mode profile, at (f) Larawan ng SEM ng LToI waveguide core bago ang SiO2 overlayer deposition. Gaya ng ipinapakita sa Figure 1 (b), ang surface roughness ay mas mababa sa 1 nm, at walang nakitang scratch lines. Bukod pa rito, sinuri namin ang polarization state ng itaas na layer ng LT gamit ang piezoelectric response force microscopy (PFM), gaya ng inilalarawan sa Figure 1 (c). Kinumpirma namin na ang pare-parehong polarization ay napanatili kahit na pagkatapos ng proseso ng bonding.
Gamit ang LToI substrate na ito, ginawa namin ang waveguide gaya ng sumusunod. Una, isang metal mask layer ang idineposito para sa kasunod na dry etching ng LT. Pagkatapos, isinagawa ang electron beam (EB) lithography upang tukuyin ang waveguide core pattern sa ibabaw ng metal mask layer. Susunod, inilipat namin ang EB resist pattern sa metal mask layer sa pamamagitan ng dry etching. Pagkatapos, nabuo ang LToI waveguide core gamit ang electron cyclotron resonance (ECR) plasma etching. Panghuli, inalis ang metal mask layer sa pamamagitan ng wet process, at isang SiO2 overlayer ang idineposito gamit ang plasma-enhanced chemical vapor deposition. Ipinapakita ng Figure 1 (d) ang schematic cross-section ng LToI waveguide. Ang kabuuang taas ng core, taas ng plate, at lapad ng core ay 200 nm, 100 nm, at 1000 nm, ayon sa pagkakabanggit. Tandaan na ang lapad ng core ay lumalawak sa 3 µm sa gilid ng waveguide para sa optical fiber coupling.
Ipinapakita ng Figure 1 (e) ang kinakalkulang distribusyon ng optical intensity ng fundamental transverse electric (TE) mode sa 1550 nm. Ipinapakita rin ng Figure 1 (f) ang imahe ng scanning electron microscope (SEM) ng LToI waveguide core bago ang pagdeposito ng SiO2 overlayer.
Mga Katangian ng Waveguide:Una naming sinuri ang mga katangian ng linear loss sa pamamagitan ng paglalagay ng TE-polarized na liwanag mula sa isang 1550 nm wavelength na pinalakas na spontaneous emission source sa mga LToI waveguide na may iba't ibang haba. Ang propagation loss ay nakuha mula sa slope ng relasyon sa pagitan ng haba ng waveguide at transmission sa bawat wavelength. Ang nasukat na propagation loss ay 0.32, 0.28, at 0.26 dB/cm sa 1530, 1550, at 1570 nm, ayon sa pagkakabanggit, tulad ng ipinapakita sa Figure 2 (a). Ang mga ginawang LToI waveguide ay nagpakita ng maihahambing na low-loss performance sa mga state-of-the-art na LNoI waveguide [10].
Susunod, tinasa namin ang χ(3) nonlinearity sa pamamagitan ng wavelength conversion na nabuo sa pamamagitan ng isang four-wave mixing process. Naglagay kami ng continuous wave pump light sa 1550.0 nm at isang signal light sa 1550.6 nm sa isang 12 mm na haba na waveguide. Gaya ng ipinapakita sa Figure 2 (b), ang phase-conjugate (idler) light wave signal intensity ay tumaas kasabay ng pagtaas ng input power. Ang inset sa Figure 2 (b) ay nagpapakita ng tipikal na output spectrum ng four-wave mixing. Mula sa ugnayan sa pagitan ng input power at conversion efficiency, tinantya namin ang nonlinear parameter (γ) na humigit-kumulang 11 W^-1m.
Pigura 3.(a) Larawan ng mikroskopyo ng ginawang ring resonator. (b) Transmission spectra ng ring resonator na may iba't ibang parameter ng gap. (c) Sinukat at Lorentzian-fitted transmission spectrum ng ring resonator na may gap na 1000 nm.
Susunod, gumawa kami ng isang LToI ring resonator at sinuri ang mga katangian nito. Ipinapakita ng Figure 3 (a) ang imahe ng optical microscope ng ginawang ring resonator. Nagtatampok ang ring resonator ng isang "racetrack" na konpigurasyon, na binubuo ng isang kurbadong rehiyon na may radius na 100 µm at isang tuwid na rehiyon na 100 µm ang haba. Ang lapad ng puwang sa pagitan ng singsing at ng bus waveguide core ay nag-iiba sa mga pagtaas na 200 nm, partikular sa 800, 1000, at 1200 nm. Ipinapakita ng Figure 3 (b) ang transmission spectra para sa bawat puwang, na nagpapahiwatig na ang extinction ratio ay nagbabago kasabay ng laki ng puwang. Mula sa mga spectra na ito, natukoy namin na ang 1000 nm na puwang ay nagbibigay ng halos kritikal na mga kondisyon ng pagkabit, dahil ipinapakita nito ang pinakamataas na extinction ratio na -26 dB.
Gamit ang critically coupled resonator, tinantya namin ang quality factor (Q factor) sa pamamagitan ng pag-aangkop sa linear transmission spectrum sa isang Lorentzian curve, na nakakuha ng internal Q factor na 1.1 milyon, gaya ng ipinapakita sa Figure 3 (c). Sa aming kaalaman, ito ang unang demonstrasyon ng isang waveguide-coupled LToI ring resonator. Kapansin-pansin, ang halaga ng Q factor na aming nakamit ay mas mataas nang malaki kaysa sa fiber-coupled LToI microdisk resonators [9].
Konklusyon:Nakabuo kami ng isang LToI waveguide na may loss na 0.28 dB/cm sa 1550 nm at isang ring resonator Q factor na 1.1 milyon. Ang performance na nakuha ay maihahambing sa mga state-of-the-art low-loss LNoI waveguides. Bukod pa rito, sinuri namin ang χ(3) nonlinearity ng gawang LToI waveguide para sa mga on-chip nonlinear na aplikasyon.
Oras ng pag-post: Nob-20-2024