Resumé:Mir hunn e Lithium-Tantalat-Wellenleiter op Basis vun 1550 nm op Isolatorbasis mat engem Verloscht vun 0,28 dB/cm an engem Qualitéitsfaktor fir de Rankresonator vun 1,1 Milliounen entwéckelt. D'Uwendung vun der χ(3)-Netlinearitéit an der netlinearer Photonik gouf ënnersicht. D'Virdeeler vum Lithium-Niobat op Isolator (LNoI), deen exzellent χ(2)- an χ(3)-netlinear Eegeschafte zesumme mat enger staarker optescher Aschränkung wéinst senger "Isolator-on"-Struktur weist, hunn zu bedeitende Fortschrëtter an der Wellenleitertechnologie fir ultraschnell Modulatoren an integréiert netlinear Photonik gefouert [1-3]. Zousätzlech zu LN gouf Lithium-Tantalat (LT) och als netlineart photonescht Material ënnersicht. Am Verglach zu LN huet LT eng méi héich optesch Schuedschwell an e méi breede optesche Transparenzfenster [4, 5], obwuel seng optesch Parameteren, wéi de Breechungsindex an d'netlinear Koeffizienten, ähnlech wéi déi vum LN sinn [6, 7]. Dofir ass LToI e weidert staarkt Kandidatmaterial fir netlinear photonesch Uwendungen mat héijer optescher Leeschtung. Ausserdeem gëtt LToI zu engem primäre Material fir Uewerflächenakustesch Wellen (SAW) Filtergeräter, déi a mobilen an drahtlose Technologien mat héijer Geschwindegkeet uwendbar sinn. An dësem Kontext kéinten LToI-Wafere méi heefeg Materialien fir photonesch Uwendungen ginn. Bis elo goufen awer nëmmen e puer photonesch Geräter baséiert op LToI gemellt, wéi z. B. Mikrodiskresonatoren [8] an elektrooptesch Phasenverschiebungsgeräter [9]. An dëser Aarbecht presentéiere mir en LToI-Wellenleiter mat geréngem Verloscht a seng Uwendung an engem Rankresonator. Zousätzlech liwwere mir d'χ(3) netlinear Charakteristike vum LToI-Wellenleiter.
Schlësselpunkten:
• Mir bidden LToI-Waferen, Dënnschicht-Lithiumtantalat-Waferen, vu 4 Zoll bis 6 Zoll un, mat enger Uewerflächendéckt vun 100 nm bis 1500 nm, andeems mir national Technologie a reife Prozesser benotzen.
• SINOI: Dënnfilmwafere vu Siliziumnitrid mat ultra-niddrege Verloschter.
• SICOI: Héichreinheets-halbisoléierend Siliziumcarbid-Dënnschichtsubstrate fir photonesch integréiert Schaltunge vu Siliziumcarbid.
• LTOI: E staarke Konkurrent zu Lithiumniobat, Dënnschicht-Lithiumtantalat-Wafers.
• LNOI: 8-Zoll LNOI, deen d'Masseproduktioun vu gréissere Dënnschicht-Lithiumniobatprodukter ënnerstëtzt.
Produktioun op Isolatorwellenleiter:An dëser Studie hu mir 4-Zoll LToI-Wafere benotzt. Déi iewescht LT-Schicht ass e kommerziellt 42° gedréit Y-geschniddent LT-Substrat fir SAW-Geräter, dat direkt mat enger 3 µm décker thermescher Oxidschicht gebonnen ass, andeems e intelligente Schnëttprozess benotzt gëtt. Figur 1(a) weist eng Vue vun uewen op den LToI-Wafer, mat enger Déckt vun der ieweschter LT-Schicht vun 200 nm. Mir hunn d'Uewerflächenrauheet vun der ieweschter LT-Schicht mat Hëllef vun der Atomkraaftmikroskopie (AFM) bewäert.
Figur 1.(a) Vue vun uewen op de LToI-Wafer, (b) AFM-Bild vun der Uewerfläch vun der ieweschter LT-Schicht, (c) PFM-Bild vun der Uewerfläch vun der ieweschter LT-Schicht, (d) Schematesche Querschnitt vum LToI-Wellenleiter, (e) Berechent fundamentalt TE-Modusprofil, an (f) SEM-Bild vum LToI-Wellenleiterkär virun der SiO2-Iwwerlagsoflagerung. Wéi an der Figur 1 (b) gewisen, ass d'Uewerflächenrauheet manner wéi 1 nm, an et goufen keng Kratzlinnen observéiert. Zousätzlech hu mir den Polarisatiounszoustand vun der ieweschter LT-Schicht mat Hëllef vun der piezoelektrescher Reaktiounskraaftmikroskopie (PFM) ënnersicht, wéi an der Figur 1 (c) duergestallt. Mir hunn bestätegt, datt eng eenheetlech Polarisatioun och nom Bindungsprozess erhale bliwwen ass.
Mat dësem LToI-Substrat hu mir de Wellenleiter wéi follegt hiergestallt. Als éischt gouf eng Metallmaskeschicht fir spéider Drécheätzung vum LT ofgesat. Duerno gouf eng Elektronestrahllithographie (EB-Lithographie) duerchgefouert fir de Wellenleiterkärmuster op der Metallmaskeschicht ze definéieren. Duerno hu mir den EB-Resistmuster duerch Drécheätzung op d'Metallmaskeschicht transferéiert. Duerno gouf den LToI-Wellenleiterkär mat Elektronenzyklotronresonanz- (ECR)-Plasmaätzung geformt. Schlussendlech gouf d'Metallmaskeschicht duerch e Naassprozess ewechgeholl, an eng SiO2-Iwwerlagschicht gouf mat Plasma-verstäerkter chemescher Gasoflagerung ofgesat. Figur 1 (d) weist de schematesche Querschnitt vum LToI-Wellenleiter. Déi total Kärhéicht, d'Plattenhéicht an d'Kärbreet sinn 200 nm, 100 nm respektiv 1000 nm. Et ass ze beuechten, datt d'Kärbreet um Rand vum Wellenleiter fir d'Kopplung vun optesche Faseren op 3 µm ausdehnt.
Figur 1 (e) weist déi berechent optesch Intensitéitsverdeelung vum fundamentalen transversalen elektresche (TE) Modus bei 1550 nm. Figur 1 (f) weist d'Rasterelektronemikroskop (SEM) Bild vum LToI-Wellenleiterkär virun der Oflagerung vun der SiO2-Iwwerlagerung.
Wellenleiter Charakteristiken:Mir hunn fir d'éischt d'Charakteristike vum lineare Verloscht evaluéiert andeems mir TE-polariséiert Liicht vun enger 1550 nm Wellelängtverstäerkter spontaner Emissiounsquell an LToI-Wellenleiter vu verschiddene Längt agefouert hunn. De Propagatiounsverloscht gouf aus der Steigung vun der Bezéiung tëscht Welleleiterlängt an Transmissioun bei all Wellelängt bestëmmt. Déi gemoossene Propagatiounsverloschter waren 0,32, 0,28 an 0,26 dB/cm bei 1530, 1550 respektiv 1570 nm, wéi an der Figur 2 (a) gewisen. Déi hiergestallt LToI-Wellenleiter hunn eng vergläichbar Leeschtung mat geréngem Verloscht wéi déi modern LNoI-Wellenleiter gewisen [10].
Duerno hu mir d'χ(3)-Netlinearitéit duerch d'Wellenlängtenkonversioun evaluéiert, déi duerch e Véierwelle-Mëschprozess generéiert gouf. Mir hunn e kontinuéierlecht Pompelliicht bei 1550,0 nm an e Signalliicht bei 1550,6 nm an e 12 mm laange Welleleiter agefouert. Wéi an der Figur 2 (b) gewisen, ass d'Signalintensitéit vun der Phasenkonjugat- (Idler-) Liichtwell mat zouhuelender Inputleistung zougeholl. Den Asaz an der Figur 2 (b) weist dat typescht Ausgangsspektrum vun der Véierwelle-Mëschung. Aus der Bezéiung tëscht Inputleistung an Ëmwandlungseffizienz hu mir den netlineare Parameter (γ) op ongeféier 11 W^-1m geschat.
Figur 3.(a) Mikroskopbild vum fabrizéierte Ringresonator. (b) Transmissiounsspektre vum Ringresonator mat verschiddene Gapparameteren. (c) Gemoossent an Lorentz-ugepasst Transmissiounsspektrum vum Ringresonator mat enger Gap vun 1000 nm.
Duerno hu mir en LToI-Ringresonator fabrizéiert a seng Charakteristiken evaluéiert. Figur 3 (a) weist d'Bild vum fabrizéierte Ringresonator ënner engem optesche Mikroskop. De Ringresonator huet eng "Rennbunn"-Konfiguratioun, déi aus engem gekrëmmte Beräich mat engem Radius vun 100 µm an engem geraden Beräich vun 100 µm Längt besteet. D'Spaltbreet tëscht dem Rank an dem Bus-Wellenleiterkär variéiert a Schrëtt vun 200 nm, méi genee bei 800, 1000 an 1200 nm. Figur 3 (b) weist d'Transmissiounsspektre fir all Spalt, wat beweist, datt d'Extinktiounsverhältnis mat der Spaltgréisst ännert. Aus dëse Spektre hu mir festgestallt, datt d'Spalt vun 1000 nm bal kritesch Kopplungsbedingungen ubitt, well se déi héchst Extinktiounsverhältnis vun -26 dB weist.
Mat Hëllef vum kritesch gekoppelte Resonator hu mir de Qualitéitsfaktor (Q-Faktor) geschat, andeems mir de linearen Transmissiounsspektrum mat enger Lorentz-Kurve ugepasst hunn, wouduerch mir en internen Q-Faktor vun 1,1 Milliounen kritt hunn, wéi an der Figur 3 (c) gewisen. No eisem Wëssen ass dëst déi éischt Demonstratioun vun engem wellenleiter-gekoppelten LToI-Ringresonator. Bemierkenswäert ass, datt de Q-Faktorwäert, deen mir erreecht hunn, däitlech méi héich ass wéi dee vu faserverkoppelten LToI-Mikrodiskresonatoren [9].
Schlussfolgerung:Mir hunn en LToI-Wellenleiter mat engem Verloscht vun 0,28 dB/cm bei 1550 nm an engem Q-Faktor vum Ringresonator vun 1,1 Milliounen entwéckelt. Déi erreecht Leeschtung ass vergläichbar mat där vun de modernste LNoI-Wellenleiter mat geréngem Verloscht. Zousätzlech hu mir d'χ(3)-Netlinearitéit vum hiergestallten LToI-Wellenleiter fir netlinear Uwendungen um Chip ënnersicht.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 20. November 2024