Περίληψη:Έχουμε αναπτύξει έναν κυματοδηγό τανταλικού λιθίου 1550 nm με βάση μονωτή με απώλεια 0,28 dB/cm και συντελεστή ποιότητας δακτυλιοειδούς συντονιστή 1,1 εκατομμυρίου. Έχει μελετηθεί η εφαρμογή της μη γραμμικότητας χ(3) στη μη γραμμική φωτονική. Τα πλεονεκτήματα του νιοβικού λιθίου σε μονωτή (LNoI), το οποίο παρουσιάζει εξαιρετικές μη γραμμικές ιδιότητες χ(2) και χ(3) μαζί με ισχυρό οπτικό περιορισμό λόγω της δομής του "σε μονωτή", έχουν οδηγήσει σε σημαντικές εξελίξεις στην τεχνολογία κυματοδηγών για υπερταχείς διαμορφωτές και ολοκληρωμένες μη γραμμικές φωτονικές [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 αυτές 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 ένα πρωτεύον υλικό για συσκευές φίλτρου επιφανειακών ακουστικών κυμάτων (SAW), που εφαρμόζονται σε τεχνολογίες κινητών και ασύρματων επικοινωνιών υψηλής ταχύτητας. Σε αυτό το πλαίσιο, οι πλακέτες LToI μπορεί να γίνουν πιο συνηθισμένα υλικά για φωτονικές εφαρμογές. Ωστόσο, μέχρι σήμερα, έχουν αναφερθεί μόνο λίγες φωτονικές συσκευές που βασίζονται στο LToI, όπως οι συντονιστές μικροδίσκων [8] και οι ηλεκτροοπτικοί μετατοπιστές φάσης [9]. Σε αυτή την εργασία, παρουσιάζουμε έναν κυματοδηγό LToI χαμηλών απωλειών και την εφαρμογή του σε έναν δακτυλιοειδή συντονιστή. Επιπλέον, παρέχουμε τα χ(3) μη γραμμικά χαρακτηριστικά του κυματοδηγού LToI.
Βασικά σημεία:
• Προσφέροντας πλακίδια LToI 4 ιντσών έως 6 ιντσών, πλακίδια λεπτής μεμβράνης τανταλικού λιθίου, με πάχος ανώτερου στρώματος που κυμαίνεται από 100 nm έως 1500 nm, χρησιμοποιώντας εγχώρια τεχνολογία και ώριμες διαδικασίες.
• SINOI: Δισκία λεπτής μεμβράνης από νιτρίδιο πυριτίου εξαιρετικά χαμηλών απωλειών.
• SICOI: Ημιμονωτικά υποστρώματα λεπτής μεμβράνης από καρβίδιο του πυριτίου υψηλής καθαρότητας για ολοκληρωμένα κυκλώματα φωτονίων από καρβίδιο του πυριτίου.
• LTOI: Ισχυρός ανταγωνιστής του νιοβικού λιθίου, λεπτής μεμβράνης πλακιδίων τανταλικού λιθίου.
• LNOI: LNOI 8 ιντσών που υποστηρίζει τη μαζική παραγωγή προϊόντων νιοβικού λιθίου λεπτής μεμβράνης μεγαλύτερης κλίμακας.
Κατασκευή σε μονωτικούς κυματοδηγούς:Σε αυτήν τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε πλακίδια LToI 4 ιντσών. Το άνω στρώμα LT είναι ένα εμπορικό υπόστρωμα LT κοπής Y με περιστροφή 42° για συσκευές SAW, το οποίο συνδέεται απευθείας με ένα υπόστρωμα Si με στρώμα θερμικού οξειδίου πάχους 3 μm, χρησιμοποιώντας μια έξυπνη διαδικασία κοπής. Το Σχήμα 1(α) δείχνει μια κάτοψη του πλακιδίου LToI, με πάχος άνω στρώματος LT 200 nm. Αξιολογήσαμε την τραχύτητα της επιφάνειας του άνω στρώματος LT χρησιμοποιώντας μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM).
Σχήμα 1.(α) Κάτοψη του πλακιδίου LToI, (β) Εικόνα AFM της επιφάνειας του άνω στρώματος LT, (γ) Εικόνα PFM της επιφάνειας του άνω στρώματος LT, (δ) Σχηματική διατομή του κυματοδηγού LToI, (ε) Υπολογισμένο θεμελιώδες προφίλ τρόπου λειτουργίας TE, και (στ) Εικόνα SEM του πυρήνα του κυματοδηγού LToI πριν από την εναπόθεση της 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 άνω στρώματος LT χρησιμοποιώντας πιεζοηλεκτρική μικροσκοπία 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, εναποτέθηκε ένα στρώμα μεταλλικής μάσκας για επακόλουθη ξηρή χάραξη του LT. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε λιθογραφία με δέσμη ηλεκτρονίων (EB) για να οριστεί το μοτίβο πυρήνα του κυματοδηγού πάνω από το στρώμα μεταλλικής μάσκας. Στη συνέχεια, μεταφέραμε το μοτίβο αντίστασης EB στο στρώμα μεταλλικής μάσκας μέσω ξηρής χάραξης. Στη συνέχεια, ο πυρήνας κυματοδηγού LToI σχηματίστηκε χρησιμοποιώντας χάραξη πλάσματος ηλεκτρονικού κυκλοτρονικού συντονισμού (ECR). Τέλος, το στρώμα μεταλλικής μάσκας αφαιρέθηκε μέσω υγρής διαδικασίας και εναποτέθηκε ένα επικαλυπτικό στρώμα SiO2 χρησιμοποιώντας χημική εναπόθεση ατμών ενισχυμένη με πλάσμα. Το Σχήμα 1 (δ) δείχνει τη σχηματική διατομή του κυματοδηγού LToI. Το συνολικό ύψος πυρήνα, το ύψος πλάκας και το πλάτος 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 τη σύζευξη οπτικών ινών.
Το Σχήμα 1 (ε) δείχνει την υπολογισμένη κατανομή οπτικής έντασης της θεμελιώδους εγκάρσιας ηλεκτρικής (TE) λειτουργίας στα 1550 nm. Το Σχήμα 1 (στ) δείχνει την εικόνα του πυρήνα κυματοδηγού LToI από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) πριν από την εναπόθεση της επικάλυψης SiO2.
Χαρακτηριστικά κυματοδηγού:Αρχικά αξιολογήσαμε τα χαρακτηριστικά γραμμικών απωλειών εισάγοντας φως πολωμένο με TE από μια πηγή αυθόρμητης εκπομπής ενισχυμένου μήκους κύματος 1550 nm σε κυματοδηγούς LToI διαφόρων μηκών. Η απώλεια διάδοσης υπολογίστηκε 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 παρουσίασαν συγκρίσιμη απόδοση χαμηλών απωλειών με τους κυματοδηγούς LNoI τελευταίας τεχνολογίας [10].
Στη συνέχεια, αξιολογήσαμε τη μη γραμμικότητα χ(3) μέσω της μετατροπής μήκους κύματος που παράγεται 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 του φωτεινού κύματος συζεύγματος 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, εκτιμήσαμε ότι η μη γραμμική παράμετρος (γ) είναι περίπου 11 W^-1m.
Σχήμα 3.(α) Εικόνα μικροσκοπίου του κατασκευασμένου δακτυλιοειδούς συντονιστή. (β) Φάσματα μετάδοσης του δακτυλιοειδούς συντονιστή με διάφορες παραμέτρους κενού. (γ) Μετρημένο και Λορεντζιανό-προσαρμοσμένο φάσμα μετάδοσης του δακτυλιοειδούς συντονιστή με κενό 1000 nm.
Στη συνέχεια, κατασκευάσαμε έναν δακτυλιοειδή συντονιστή LToI και αξιολογήσαμε τα χαρακτηριστικά του. Το Σχήμα 3 (α) δείχνει την εικόνα οπτικού μικροσκοπίου του κατασκευασμένου δακτυλιοειδούς συντονιστή. Ο δακτυλιοειδής συντονιστής διαθέτει διαμόρφωση "πίστας αγώνων", που αποτελείται από μια καμπύλη περιοχή με ακτίνα 100 µm και μια ευθεία περιοχή μήκους 100 µm. Το πλάτος του κενού μεταξύ του δακτυλίου και του πυρήνα 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 κενό, υποδεικνύοντας ότι ο λόγος απόσβεσης αλλάζει με το μέγεθος του κενού. Από αυτά τα φάσματα, διαπιστώσαμε ότι το κενό των 1000 nm παρέχει σχεδόν κρίσιμες συνθήκες σύζευξης, καθώς παρουσιάζει τον υψηλότερο λόγο απόσβεσης -26 dB.
Χρησιμοποιώντας τον κρίσιμα συζευγμένο συντονιστή, εκτιμήσαμε τον συντελεστή ποιότητας (συντελεστή Q) προσαρμόζοντας το γραμμικό φάσμα μετάδοσης με μια καμπύλη Lorentzian, λαμβάνοντας έναν εσωτερικό συντελεστή Q 1,1 εκατομμυρίου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3 (c). Από όσο γνωρίζουμε, αυτή είναι η πρώτη επίδειξη ενός συντονιστή δακτυλίου LToI με συζευγμένο κυματοδηγό. Αξίζει να σημειωθεί ότι η τιμή του συντελεστή Q που επιτύχαμε είναι σημαντικά υψηλότερη από αυτή των συντονιστών μικροδίσκου LToI με συζευγμένο οπτικό κύμα [9].
Σύναψη:Αναπτύξαμε έναν κυματοδηγό LToI με απώλεια 0,28 dB/cm στα 1550 nm και συντελεστή Q δακτυλιοειδούς συντονιστή 1,1 εκατομμυρίου. Η απόδοση που επιτεύχθηκε είναι συγκρίσιμη με αυτή των υπερσύγχρονων κυματοδηγών LNoI χαμηλών απωλειών. Επιπλέον, διερευνήσαμε τη μη γραμμικότητα χ(3) του κατασκευασμένου κυματοδηγού LToI για μη γραμμικές εφαρμογές εντός τσιπ.
Ώρα δημοσίευσης: 20 Νοεμβρίου 2024