Abstract:Mir hunn en 1550 nm Isolator-baséiert Lithium Tantalat Welleguide mat engem Verloscht vun 0,28 dB / cm an engem Ringresonator Qualitéitsfaktor vun 1,1 Milliounen entwéckelt. D'Applikatioun vun der χ(3) Netlinearitéit an netlinearer Photonik gouf studéiert. D'Virdeeler vum Lithiumniobat op Isolator (LNoI), deen exzellent χ(2) an χ(3) net-linear Eegeschafte weist zesumme mat staarker optescher Begrenzung wéinst senger "Isolator-on" Struktur, hunn zu bedeitende Fortschrëtter an der Waveguide Technologie fir ultraschnell gefouert. Modulatoren an integréiert net-linear Photonik [1-3]. Zousätzlech zu LN, Lithium Tantalat (LT) gouf och als net-linear photonescht Material ënnersicht. Am Verglach zu LN, huet LT eng méi héich optesch Schuedschwell an eng méi breet optesch Transparenzfenster [4, 5], obwuel seng optesch Parameteren, wéi Brechungsindex an netlinear Koeffizienten, ähnlech sinn wéi déi vum LN [6, 7]. Also steet LToI aus als en anert staarkt Kandidatmaterial fir net-linear photonesch Uwendungen mat héijer optesch Kraaft. Ausserdeem gëtt LToI e primäre Material fir Surface Acoustic Wave (SAW) Filtergeräter, applicabel an High-Speed-mobilen a drahtlose Technologien. An dësem Kontext kënnen LToI Wafere méi heefeg Material fir photonesch Uwendungen ginn. Wéi och ëmmer, bis haut sinn nëmmen e puer photonesch Geräter baséiert op LToI gemellt ginn, sou wéi Mikrodiskresonatoren [8] an elektro-optesch Phaseshifter [9]. An dësem Pabeier presentéieren mir eng niddereg-Verloscht LToI waveguide a seng Applikatioun an engem Ring resonator. Zousätzlech liwwere mir d'χ(3) net-linear Charakteristike vum LToI Welleguide.
Schlëssel Punkten:
• Bitt 4-Zoll bis 6-Zoll LToI Wafers, Dënnfilm Lithium Tantalat Wafers, mat Top Schichtdicke vun 100 nm bis 1500 nm, mat Haustechnologie a reife Prozesser.
• SINOI: Ultra-niddereg Verloscht Silicon Nitride dënn-Film wafers.
• SICOI: High-Purity semi-isoléierend Siliziumkarbid-Dënnfilm-Substrate fir Siliziumkarbid-photonesch integréiert Kreesleef.
• LTOI: Eng staark Konkurrent zu Lithium niobate, dënn-Film Lithium tantalate wafers.
• LNOI: 8-Zoll LNOI ënnerstëtzt d'Massproduktioun vu gréissere Dënnfilm Lithiumniobatprodukter.
Fabrikatioun op Isolator Waveguides:An dëser Etude hu mir 4-Zoll LToI Wafere benotzt. Déi iewescht LT Schicht ass e kommerziellen 42 ° rotéierten Y-Schnëtt LT Substrat fir SAW Geräter, deen direkt un e Si Substrat mat enger 3 µm décker thermescher Oxid Schicht gebonnen ass, mat engem intelligente Schneidprozess. Figur 1(a) weist eng Top Vue vun der LToI wafer, mat der ieweschter LT Layer deck vun 200 nm. Mir bewäerten d'Uewerflächrauheet vun der ieweschter LT Schicht mat Atomkraaftmikroskopie (AFM).
Figur 1.(a) Top Vue vun der LToI Wafer, (b) AFM Bild vun der Uewerfläch vun der ieweschter LT Layer, (c) PFM Bild vun der Uewerfläch vun der Top LT Layer, (d) Schematesch Querschnitt vum LToI Waveguide, (e) Berechent fundamental TE Modus Profil, an (f) SEM Bild vum LToI Waveguide Kär virun SiO2 Iwwerlagerung Oflagerung. Wéi an der Figur 1 (b) gewisen, ass d'Uewerflächrauhegkeet manner wéi 1 nm, a keng Kratzlinne goufen observéiert. Zousätzlech hu mir de Polariséierungszoustand vun der ieweschter LT Schicht iwwerpréift mat piezoelektrescher Reaktiounskraaftmikroskopie (PFM), wéi an der Figur 1 (c) duergestallt. Mir bestätegt datt eenheetlech Polariséierung och nom Bindungsprozess erhale gouf.
Mat dësem LToI Substrat hu mir de Welleguide wéi follegt fabrizéiert. Als éischt gouf eng Metallmaskeschicht fir spéider dréchen Ätzen vum LT deposéiert. Duerno gouf Elektronenstrahl (EB) Lithographie gemaach fir de Welleguide Kärmuster uewen op der Metallmaskeschicht ze definéieren. Als nächst hu mir d'EB Widderstandsmuster op d'Metallmaskeschicht iwwer dréchen Ätzen transferéiert. Duerno gouf de LToI Waveguide Kär geformt mat Hëllef vun Elektronen Cyclotron Resonanz (ECR) Plasma Ätzen. Schlussendlech gouf d'Metallmaskeschicht duerch e naass Prozess geläscht, an e SiO2 Iwwerlager gouf mat Plasma-verstäerkter chemescher Dampdepositioun deposéiert. Figur 1 (d) weist de schematesch Querschnitt vun der LToI Welleguide. D'total Kär Héicht, Plack Héicht, a Kär Breet sinn 200 nm, 100 nm, respektiv 1000 nm. Notéiert datt d'Kärbreet op 3 µm erweidert um Welleguiderand fir optesch Faserkupplung.
Figur 1 (e) weist d'berechent optesch Intensitéit Verdeelung vun der fundamental transversal elektresch (TE) Modus op 1550 nm. Figur 1 (f) weist d'Scanning Elektronenmikroskop (SEM) Bild vum LToI Welleguide Kär virun der Oflagerung vum SiO2 Iwwerlager.
Waveguide Charakteristiken:Mir hunn als éischt d'linear Verloschtcharakteristike evaluéiert andeems TE-polariséiert Liicht vun enger 1550 nm Wellelängt verstäerkter spontaner Emissiounsquell an LToI Welleleit vu variabelen Längt agefouert gouf. De Verbreedungsverloscht gouf vum Hang vun der Bezéiung tëscht Welleleitlängt an Iwwerdroung bei all Wellelängt kritt. Déi gemooss Ausbreedungsverloschter waren 0,32, 0,28 an 0,26 dB /cm bei 1530, 1550 an 1570 nm respektiv, wéi an der Figur 2 (a) gewisen. Déi fabrizéiert LToI Waveguides hunn vergläichbar Low-Loss Performance mat modernste LNoI Waveguides [10] gewisen.
Als nächst hu mir d'χ(3) Netlinearitéit bewäert duerch d'Wellenlängtkonversioun generéiert duerch e Véier-Wellen Vermëschungsprozess. Mir setzen eng kontinuéierlech Wellepompelliicht bei 1550,0 nm an e Signalliicht bei 1550,6 nm an en 12 mm laange Welleguide. Wéi an der Figur 2 (b) gewisen, ass d'Phasekonjugat (Idle) Liichtwelle Signalintensitéit eropgaang mat der Erhéijung vun der Inputkraaft. Den Inset an der Figur 2 (b) weist den typesche Ausgangsspektrum vun der Véierwelle Vermëschung. Vun der Relatioun tëscht Input Muecht an Ëmwandlung Effizienz, hu mir den net-lineare Parameter (γ) op ongeféier 11 W ^ -1m geschat.
Figur 3.(a) Mikroskopbild vum fabrizéierten Ringresonator. (b) Transmissioun Spektrum vun der Ring resonator mat verschiddene Spalt Parameteren. (c) Gemoossene a Lorentzian-gepasst Iwwerdroungsspektrum vum Ringresonator mat enger Spalt vun 1000 nm.
Als nächst hu mir en LToI Ringresonator fabrizéiert a seng Charakteristiken evaluéiert. Figur 3 (a) weist der opteschen microscope Bild vun der fabrizéierten Ring resonator. De Ringresonator huet eng "Racetrack" Konfiguratioun, besteet aus enger kromme Regioun mat engem Radius vun 100 µm an enger riichter Regioun vun 100 µm Längt. D'Spaltbreet tëscht dem Ring an dem Buswelleleitkär variéiert an Inkremente vun 200 nm, speziell bei 800, 1000 an 1200 nm. Figur 3 (b) weist d'Transmissiounsspektre fir all Spalt, wat beweist datt d'Ausstierwenverhältnis mat der Spaltgréisst ännert. Aus dëse Spektre hu mir festgestallt datt den 1000 nm Spalt bal kritesch Kupplungsbedéngungen ubitt, well et den héchsten Ausstierwensverhältnis vun -26 dB weist.
Mat Hëllef vum kritesch gekoppelte Resonator hu mir de Qualitéitsfaktor (Q Faktor) geschat, andeems de linear Transmissiounsspektrum mat enger Lorentzianer Curve passt, en internen Q Faktor vun 1,1 Millioune kritt, wéi an der Figur 3 (c) gewisen. Fir eis Wëssen, ass dëst déi éischt Demonstratioun vun engem waveguide-gekoppelt LToI Ring resonator. Notamment ass de Q Faktor Wäert dee mir erreecht hunn wesentlech méi héich wéi dee vu fibergekoppelten LToI Mikrodisk Resonatoren [9].
Conclusioun:Mir hunn en LToI Waveguide mat engem Verloscht vun 0,28 dB / cm bei 1550 nm an engem Ringresonator Q Faktor vun 1,1 Milliounen entwéckelt. D'Performance kritt ass vergläichbar mat der modernste Low-Verloscht LNoI Welleguide. Zousätzlech hu mir d'χ(3) Nonlinearitéit vum fabrizéierten LToI Welleguide fir on-Chip netlinear Uwendungen ënnersicht.
Post Zäit: Nov-20-2024