Περίληψη:Έχουμε αναπτύξει έναν κυματοδηγό τανταλικού λιθίου με βάση μονωτή 1550 nm με απώλεια 0,28 dB/cm και συντελεστή ποιότητας αντηχείου δακτυλίου 1,1 εκατομμύρια. Η εφαρμογή της μη γραμμικότητας χ(3) στη μη γραμμική φωτονική έχει μελετηθεί. Τα πλεονεκτήματα του νιοβικού λιθίου στον μονωτήρα (LNoI), το οποίο παρουσιάζει εξαιρετικές μη γραμμικές ιδιότητες χ(2) και χ(3) μαζί με ισχυρό οπτικό περιορισμό λόγω της δομής του "μονωτικού", έχουν οδηγήσει σε σημαντικές προόδους στην τεχνολογία κυματοδηγών για υπερταχεία διαμορφωτές και ολοκληρωμένη μη γραμμική φωτονική [1-3]. Εκτός από το LN, το τανταλικό λίθιο (LT) έχει επίσης διερευνηθεί ως μη γραμμικό φωτονικό υλικό. Σε σύγκριση με το LN, το LT έχει υψηλότερο όριο οπτικής βλάβης και ευρύτερο παράθυρο οπτικής διαφάνειας [4, 5], αν και οι οπτικές του παράμετροι, όπως ο δείκτης διάθλασης και οι μη γραμμικοί συντελεστές, είναι παρόμοιες με εκείνες του LN [6, 7]. Έτσι, το LToI ξεχωρίζει ως ένα άλλο ισχυρό υποψήφιο υλικό για μη γραμμικές φωτονικές εφαρμογές υψηλής οπτικής ισχύος. Επιπλέον, το LToI γίνεται πρωταρχικό υλικό για συσκευές φίλτρου επιφανειακών ακουστικών κυμάτων (SAW), που εφαρμόζεται σε κινητές και ασύρματες τεχνολογίες υψηλής ταχύτητας. Σε αυτό το πλαίσιο, οι γκοφρέτες LToI μπορεί να γίνουν πιο κοινά υλικά για φωτονικές εφαρμογές. Ωστόσο, μέχρι σήμερα, έχουν αναφερθεί μόνο μερικές φωτονικές συσκευές που βασίζονται σε LToI, όπως συντονιστές μικροδίσκων [8] και ηλεκτροοπτικοί μετατοπιστές φάσης [9]. Σε αυτή την εργασία, παρουσιάζουμε έναν κυματοδηγό LToI χαμηλών απωλειών και την εφαρμογή του σε αντηχείο δακτυλίου. Επιπλέον, παρέχουμε τα χ(3) μη γραμμικά χαρακτηριστικά του κυματοδηγού LToI.
Βασικά σημεία:
• Προσφέρει γκοφρέτες LToI 4 ιντσών έως 6 ιντσών, γκοφρέτες τανταλικού λιθίου λεπτής μεμβράνης, με πάχη ανώτερης στρώσης που κυμαίνονται από 100 nm έως 1500 nm, χρησιμοποιώντας εγχώρια τεχνολογία και ώριμες διαδικασίες.
• SINOI: Γκοφρέτες λεπτής μεμβράνης νιτριδίου πυριτίου εξαιρετικά χαμηλής απώλειας.
• SICOI: Ημιμονωτικά υποστρώματα λεπτής μεμβράνης καρβιδίου του πυριτίου υψηλής καθαρότητας για φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα καρβιδίου του πυριτίου.
• LTOI: Ισχυρός ανταγωνιστής του νιοβικού λιθίου, των πλακιδίων τανταλικού λιθίου λεπτής μεμβράνης.
• LNOI: LNOI 8 ιντσών που υποστηρίζει τη μαζική παραγωγή προϊόντων νιοβικού λιθίου λεπτής μεμβράνης μεγαλύτερης κλίμακας.
Κατασκευή σε μονωτικούς κυματοδηγούς:Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε γκοφρέτες LToI 4 ιντσών. Το επάνω στρώμα LT είναι ένα εμπορικό υπόστρωμα LT με περιστροφή 42° για συσκευές SAW, το οποίο συνδέεται απευθείας σε ένα υπόστρωμα Si με ένα στρώμα θερμικού οξειδίου πάχους 3 μm, χρησιμοποιώντας μια έξυπνη διαδικασία κοπής. Το Σχήμα 1(α) δείχνει μια κάτοψη της γκοφρέτας LToI, με το πάχος της επάνω στρώσης LT να είναι 200 nm. Αξιολογήσαμε την επιφανειακή τραχύτητα του ανώτερου στρώματος LT χρησιμοποιώντας μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM).
Εικόνα 1.(α) Κάτοψη του πλακιδίου LToI, (β) εικόνα AFM της επιφάνειας του ανώτερου στρώματος LT, (γ) εικόνα PFM της επιφάνειας του ανώτερου στρώματος LT, (δ) Σχηματική διατομή του κυματοδηγού LToI, (ε) Υπολογισμένο προφίλ βασικής λειτουργίας TE και (στ) εικόνα SEM του πυρήνα του κυματοδηγού LToI πριν από την εναπόθεση επικάλυψης SiO2. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1 (β), η τραχύτητα της επιφάνειας είναι μικρότερη από 1 nm και δεν παρατηρήθηκαν γραμμές γρατσουνιάς. Επιπλέον, εξετάσαμε την κατάσταση πόλωσης του ανώτερου στρώματος LT χρησιμοποιώντας μικροσκοπία πιεζοηλεκτρικής δύναμης απόκρισης (PFM), όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 1 (γ). Επιβεβαιώσαμε ότι η ομοιόμορφη πόλωση διατηρήθηκε ακόμη και μετά τη διαδικασία συγκόλλησης.
Χρησιμοποιώντας αυτό το υπόστρωμα LToI, κατασκευάσαμε τον κυματοδηγό ως εξής. Αρχικά, ένα στρώμα μεταλλικής μάσκας εναποτέθηκε για επακόλουθη ξηρή χάραξη του LT. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε λιθογραφία δέσμης ηλεκτρονίων (EB) για να καθοριστεί το σχέδιο του πυρήνα του κυματοδηγού πάνω από το στρώμα μεταλλικής μάσκας. Στη συνέχεια, μεταφέραμε το σχέδιο αντίστασης EB στο στρώμα μεταλλικής μάσκας μέσω ξηρής χάραξης. Στη συνέχεια, ο πυρήνας του κυματοδηγού LToI σχηματίστηκε χρησιμοποιώντας χάραξη πλάσματος συντονισμού ηλεκτρονίων κυκλοτρονίων (ECR). Τέλος, το στρώμα μεταλλικής μάσκας αφαιρέθηκε μέσω μιας υγρής διαδικασίας και μια επικάλυψη SiO2 εναποτέθηκε χρησιμοποιώντας χημική εναπόθεση ατμών ενισχυμένη με πλάσμα. Το σχήμα 1 (δ) δείχνει τη σχηματική διατομή του κυματοδηγού LToI. Το συνολικό ύψος πυρήνα, το ύψος της πλάκας και το πλάτος του πυρήνα είναι 200 nm, 100 nm και 1000 nm, αντίστοιχα. Σημειώστε ότι το πλάτος του πυρήνα επεκτείνεται στα 3 μm στην άκρη του κυματοδηγού για σύζευξη οπτικών ινών.
Το σχήμα 1 (ε) δείχνει την υπολογιζόμενη κατανομή οπτικής έντασης του βασικού εγκάρσιου ηλεκτρικού τρόπου λειτουργίας (TE) στα 1550 nm. Το σχήμα 1 (στ) δείχνει την εικόνα του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM) του πυρήνα του κυματοδηγού LToI πριν από την εναπόθεση της επικάλυψης SiO2.
Χαρακτηριστικά κυματοδηγού:Αρχικά αξιολογήσαμε τα χαρακτηριστικά γραμμικής απώλειας εισάγοντας πολωμένο φως TE από μια πηγή αυθόρμητης εκπομπής με ενισχυμένο μήκος κύματος 1550 nm σε κυματοδηγούς LToI διαφορετικών μηκών. Η απώλεια διάδοσης λήφθηκε από την κλίση της σχέσης μεταξύ του μήκους του κυματοδηγού και της μετάδοσης σε κάθε μήκος κύματος. Οι μετρούμενες απώλειες διάδοσης ήταν 0,32, 0,28 και 0,26 dB/cm στα 1530, 1550 και 1570 nm, αντίστοιχα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2 (α). Οι κατασκευασμένοι κυματοδηγοί LToI εμφάνισαν συγκρίσιμες επιδόσεις χαμηλών απωλειών με τους υπερσύγχρονους κυματοδηγούς LNoI [10].
Στη συνέχεια, αξιολογήσαμε τη μη γραμμικότητα του χ(3) μέσω της μετατροπής μήκους κύματος που δημιουργήθηκε από μια διαδικασία ανάμειξης τεσσάρων κυμάτων. Εισάγουμε ένα φως αντλίας συνεχούς κύματος στα 1550,0 nm και ένα φως σήματος στα 1550,6 nm σε έναν κυματοδηγό μήκους 12 mm. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2 (β), η ένταση του σήματος φωτεινού κύματος συζυγούς φάσης (αδρανής) αυξήθηκε με την αύξηση της ισχύος εισόδου. Το ένθετο στο Σχήμα 2 (β) δείχνει το τυπικό φάσμα εξόδου της ανάμειξης τεσσάρων κυμάτων. Από τη σχέση μεταξύ ισχύος εισόδου και απόδοσης μετατροπής, υπολογίσαμε τη μη γραμμική παράμετρο (γ) να είναι περίπου 11 W^-1m.
Εικόνα 3.(α) Εικόνα μικροσκοπίου του κατασκευασμένου αντηχείου δακτυλίου. (β) Φάσματα μετάδοσης του συντονιστή δακτυλίου με διάφορες παραμέτρους διάκενου. (γ) Μετρημένο και προσαρμοσμένο με Lorentzian φάσμα μετάδοσης του συντονιστή δακτυλίου με διάκενο 1000 nm.
Στη συνέχεια, κατασκευάσαμε ένα αντηχείο δακτυλίου LToI και αξιολογήσαμε τα χαρακτηριστικά του. Το σχήμα 3 (α) δείχνει την εικόνα οπτικού μικροσκοπίου του κατασκευασμένου αντηχείου δακτυλίου. Το αντηχείο δακτυλίου διαθέτει μια διαμόρφωση "ιππόδρομο", που αποτελείται από μια καμπύλη περιοχή με ακτίνα 100 μm και μια ευθεία περιοχή μήκους 100 μm. Το πλάτος του διακένου μεταξύ του δακτυλίου και του πυρήνα του κυματοδηγού διαύλου ποικίλλει σε βήματα των 200 nm, συγκεκριμένα στα 800, 1000 και 1200 nm. Το Σχήμα 3 (β) εμφανίζει τα φάσματα μετάδοσης για κάθε διάκενο, υποδεικνύοντας ότι ο λόγος εξάλειψης αλλάζει ανάλογα με το μέγεθος του διακένου. Από αυτά τα φάσματα, προσδιορίσαμε ότι το χάσμα των 1000 nm παρέχει σχεδόν κρίσιμες συνθήκες σύζευξης, καθώς εμφανίζει τον υψηλότερο λόγο εξαφάνισης -26 dB.
Χρησιμοποιώντας τον κρίσιμα συζευγμένο συντονιστή, υπολογίσαμε τον παράγοντα ποιότητας (συντελεστής Q) προσαρμόζοντας το γραμμικό φάσμα μετάδοσης με μια καμπύλη Lorentzian, λαμβάνοντας έναν εσωτερικό παράγοντα Q 1,1 εκατομμυρίων, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3 (γ). Από όσο γνωρίζουμε, αυτή είναι η πρώτη επίδειξη ενός αντηχείου δακτυλίου LToI συζευγμένου με κυματοδηγό. Συγκεκριμένα, η τιμή του παράγοντα Q που επιτύχαμε είναι σημαντικά υψηλότερη από αυτή των συντονιστών μικροδίσκων LToI συζευγμένων με ίνες [9].
Σύναψη:Αναπτύξαμε έναν κυματοδηγό LToI με απώλεια 0,28 dB/cm στα 1550 nm και συντελεστή Q αντηχείου δακτυλίου 1,1 εκατομμύρια. Η απόδοση που επιτυγχάνεται είναι συγκρίσιμη με εκείνη των υπερσύγχρονων κυματοδηγών LNoI χαμηλών απωλειών. Επιπλέον, διερευνήσαμε τη μη γραμμικότητα χ(3) του κατασκευασμένου κυματοδηγού LToI για μη γραμμικές εφαρμογές στο chip.
Ώρα δημοσίευσης: Νοε-20-2024