Abstract:Nakagawa kami ng 1550 nm insulator-based lithium tantalate waveguide na may pagkawala ng 0.28 dB/cm at isang ring resonator quality factor na 1.1 milyon. Ang aplikasyon ng χ(3) nonlinearity sa nonlinear photonics ay pinag-aralan. Ang mga bentahe ng lithium niobate on insulator (LNoI), na nagpapakita ng mahusay na χ(2) at χ(3) na hindi linear na mga katangian kasama ang malakas na optical confinement dahil sa "insulator-on" na istraktura nito, ay humantong sa makabuluhang pag-unlad sa teknolohiya ng waveguide para sa ultrafast modulators at integrated nonlinear photonics [1-3]. Bilang karagdagan sa LN, ang lithium tantalate (LT) ay sinisiyasat din bilang isang nonlinear photonic na materyal. 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 na parameter nito, tulad ng refractive index at nonlinear coefficients, ay katulad ng sa LN [6, 7]. Kaya, ang LToI ay namumukod-tangi bilang isa pang malakas na materyal ng kandidato para sa mataas na optical power na nonlinear photonic application. Bukod dito, ang LToI ay nagiging pangunahing materyal para sa mga surface acoustic wave (SAW) na mga filter device, na naaangkop sa mga high-speed na mobile at wireless na teknolohiya. Sa kontekstong ito, ang mga wafer ng LToI ay maaaring maging mas karaniwang mga materyales para sa mga photonic na aplikasyon. Gayunpaman, hanggang sa kasalukuyan, kakaunti lamang ang mga photonic na device batay sa LToI ang naiulat, tulad ng mga microdisk resonator [8] at electro-optic phase shifters [9]. Sa papel na ito, ipinakita namin ang isang low-loss LToI waveguide at ang aplikasyon nito sa isang ring resonator. Bilang karagdagan, ibinibigay namin ang χ(3) nonlinear na katangian ng LToI waveguide.
Mga Pangunahing Punto:
• Nag-aalok ng 4-inch hanggang 6-inch LToI wafers, thin-film lithium tantalate wafers, na may pinakamataas na kapal ng layer mula 100 nm hanggang 1500 nm, gamit ang domestic technology at mature na proseso.
• SINOI: Ultra-low loss na silicon nitride thin-film wafers.
• SICOI: High-purity semi-insulating silicon carbide thin-film substrates para sa silicon carbide photonic integrated circuits.
• LTOI: Isang malakas na katunggali sa lithium niobate, thin-film lithium tantalate wafers.
• LNOI: 8-pulgadang LNOI na sumusuporta sa mass production ng mas malalaking thin-film na lithium niobate na mga produkto.
Paggawa sa Insulator Waveguides:Sa pag-aaral na ito, ginamit namin ang 4-inch LToI wafers. Ang tuktok na layer ng LT ay isang komersyal na 42° rotated Y-cut LT substrate para sa SAW device, na direktang naka-bonding sa isang Si substrate na may 3 µm makapal na thermal oxide layer, na gumagamit ng matalinong proseso ng pagputol. Ang Figure 1(a) ay nagpapakita ng tuktok na view ng LToI wafer, na may pinakamataas na kapal ng layer ng LT na 200 nm. Sinuri namin ang pagkamagaspang ng ibabaw ng tuktok na layer ng LT gamit ang atomic force microscopy (AFM).
Larawan 1.(a) Nangungunang view ng LToI wafer, (b) AFM na imahe ng ibabaw ng tuktok na layer ng LT, (c) PFM na imahe ng ibabaw ng tuktok na layer ng LT, (d) Schematic cross-section ng LToI waveguide, (e) Kinakalkula ang pangunahing profile ng TE mode, at (f) SEM imahe ng LToI waveguide core bago ang SiO2 overlayer deposition. Tulad ng ipinapakita sa Figure 1 (b), ang pagkamagaspang sa ibabaw ay mas mababa sa 1 nm, at walang mga scratch lines ang naobserbahan. Bilang karagdagan, sinuri namin ang estado ng polariseysyon ng tuktok na layer ng LT gamit ang piezoelectric response force microscopy (PFM), tulad ng inilalarawan sa Figure 1 (c). Kinumpirma namin na ang pare-parehong polariseysyon ay pinananatili kahit na pagkatapos ng proseso ng pagbubuklod.
Gamit ang LToI substrate na ito, ginawa namin ang waveguide bilang mga sumusunod. Una, ang isang metal mask layer ay idineposito para sa kasunod na dry etching ng LT. Pagkatapos, isinagawa ang electron beam (EB) lithography upang tukuyin ang pattern ng waveguide core sa ibabaw ng metal mask layer. Susunod, inilipat namin ang EB resist pattern sa metal mask layer sa pamamagitan ng dry etching. Pagkatapos, ang LToI waveguide core ay nabuo gamit ang electron cyclotron resonance (ECR) plasma etching. Sa wakas, ang layer ng metal mask ay tinanggal sa pamamagitan ng isang basang proseso, at ang isang SiO2 overlayer ay 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 lumalawak ang core width sa 3 µm sa waveguide edge para sa optical fiber coupling.
Ipinapakita ng Figure 1 (e) ang kinakalkula na optical intensity distribution ng basic transverse electric (TE) mode sa 1550 nm. Ipinapakita ng Figure 1 (f) ang scanning electron microscope (SEM) na imahe ng LToI waveguide core bago ang deposition ng SiO2 overlayer.
Mga Katangian ng Waveguide:Una naming sinuri ang mga katangian ng pagkawala ng linear sa pamamagitan ng pag-input ng TE-polarized na ilaw mula sa isang 1550 nm wavelength na pinalaki ang kusang pinagmulan ng paglabas sa mga LToI waveguides na may iba't ibang haba. Ang pagkawala ng pagpapalaganap ay nakuha mula sa slope ng relasyon sa pagitan ng haba ng waveguide at paghahatid sa bawat haba ng daluyong. Ang sinusukat na pagkalugi ng pagpapalaganap 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 gawa-gawang LToI waveguides ay nagpakita ng maihahambing na mababang-pagkawala na pagganap sa mga makabagong LNoI waveguides [10].
Susunod, sinuri namin ang χ(3) nonlinearity sa pamamagitan ng wavelength na conversion na nabuo ng isang proseso ng paghahalo ng apat na alon. Nag-input kami ng tuloy-tuloy na wave pump light sa 1550.0 nm at isang signal light sa 1550.6 nm sa isang 12 mm na haba ng waveguide. Tulad ng ipinapakita sa Figure 2 (b), ang phase-conjugate (idler) light wave signal intensity ay tumaas sa 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.
Larawan 3.(a) Imahe ng mikroskopyo ng gawa-gawang ring resonator. (b) Transmission spectra ng ring resonator na may iba't ibang mga parameter ng gap. (c) Sinukat at Lorentzian-fitted transmission spectrum ng ring resonator na may puwang na 1000 nm.
Susunod, gumawa kami ng LToI ring resonator at sinuri ang mga katangian nito. Ipinapakita ng Figure 3 (a) ang optical microscope na imahe ng fabricated ring resonator. Nagtatampok ang ring resonator ng configuration ng "racetrack", na binubuo ng isang curved region na may radius na 100 µm at isang straight region na 100 µm ang haba. Ang lapad ng agwat sa pagitan ng ring at ng bus waveguide core ay nag-iiba sa mga pagtaas ng 200 nm, partikular sa 800, 1000, at 1200 nm. Ipinapakita ng Figure 3 (b) ang transmission spectra para sa bawat gap, na nagpapahiwatig na nagbabago ang extinction ratio sa laki ng gap. Mula sa spectra na ito, natukoy namin na ang 1000 nm gap ay nagbibigay ng halos kritikal na mga kondisyon ng pagkabit, dahil ito ay nagpapakita ng pinakamataas na extinction ratio ng -26 dB.
Gamit ang critically coupled resonator, tinantya namin ang quality factor (Q factor) sa pamamagitan ng pag-angkop sa linear transmission spectrum na may Lorentzian curve, na nakakakuha ng panloob na Q factor na 1.1 milyon, tulad ng ipinapakita sa Figure 3 (c). Sa aming kaalaman, ito ang unang pagpapakita ng isang waveguide-coupled LToI ring resonator. Kapansin-pansin, ang halaga ng Q factor na nakamit namin ay mas mataas kaysa sa fiber-coupled LToI microdisk resonator [9].
Konklusyon:Nakabuo kami ng isang LToI waveguide na may pagkawala ng 0.28 dB/cm sa 1550 nm at isang ring resonator Q factor na 1.1 milyon. Ang performance na nakuha ay maihahambing sa makabagong low-loss LNoI waveguides. Bilang karagdagan, sinisiyasat namin ang χ(3) nonlinearity ng ginawang LToI waveguide para sa on-chip nonlinear na mga application.
Oras ng post: Nob-20-2024