Abstraktne:Oleme välja töötanud 1550 nm isolaatoril põhineva liitiumtantalaadi lainejuhi, mille kadu on 0,28 dB/cm ja ringresonaatori kvaliteeditegur on 1,1 miljonit. Uuritud on χ(3) mittelineaarsuse rakendamist mittelineaarses fotoonikas. Liitiumniobaadi eelised isolaatoril (LNoI), millel on suurepärased χ(2) ja χ(3) mittelineaarsed omadused koos tugeva optilise piiratusega tänu oma "isolaatori peal olevale" struktuurile, on viinud ülikiire lainejuhitehnoloogia märkimisväärse edasiminekuni. modulaatorid ja integreeritud mittelineaarne fotoonika [1-3]. Lisaks LN-le on mittelineaarse fotoonilise materjalina uuritud ka liitiumtantalaati (LT). Võrreldes LN-ga on LT-l kõrgem optilise kahjustuse lävi ja laiem optilise läbipaistvuse aken [4, 5], kuigi selle optilised parameetrid, nagu murdumisnäitaja ja mittelineaarsed koefitsiendid, on sarnased LN-i omadega [6, 7]. Seega paistab LToI silma kui teine tugev kandidaatmaterjal suure optilise võimsusega mittelineaarsete fotooniliste rakenduste jaoks. Lisaks on LToI-st saamas pinnaakustilise laine (SAW) filtriseadmete peamine materjal, mida saab kasutada kiiretes mobiil- ja traadita tehnoloogiates. Selles kontekstis võivad LToI-plaadid saada fotooniliste rakenduste jaoks tavalisemaks materjaliks. Kuid praeguseks on teatatud vaid mõnest LToI-l põhinevast fotoonseadmest, nagu mikroketta resonaatorid [8] ja elektrooptilised faasinihutajad [9]. Selles artiklis tutvustame väikese kadudega LToI lainejuhti ja selle kasutamist ringresonaatoris. Lisaks pakume LToI lainejuhi mittelineaarsed omadused χ (3).
Põhipunktid:
• Pakutakse 4-tollised kuni 6-tollised LToI vahvlid, õhukese kilega liitiumtantalaadi vahvlid, mille pealiskihi paksus on vahemikus 100 nm kuni 1500 nm, kasutades kodumaist tehnoloogiat ja küpseid protsesse.
• SINOI: ülimadala kaoga räninitriid õhukese kilega vahvlid.
• SICOI: kõrge puhtusastmega poolisolatsiooniga ränikarbiidist õhukese kilega substraadid ränikarbiidist fotooniliste integraallülituste jaoks.
• LTOI: tugev konkurent liitiumniobaat, õhukese kilega liitiumtantalaadi vahvlitele.
• LNOI: 8-tolline LNOI, mis toetab suuremahuliste õhukese kilega liitiumniobaattoodete masstootmist.
Tootmine isolaatori lainejuhtidel:Selles uuringus kasutasime 4-tolliseid LToI vahvleid. Ülemine LT-kiht on kaubanduslik 42° pööratud Y-lõigatud LT-substraat SAW-seadmete jaoks, mis on nutika lõikeprotsessi abil otse ühendatud Si-substraadiga 3 µm paksuse termooksiidikihiga. Joonisel 1(a) on kujutatud LToI vahvli pealtvaade, mille ülemise LT kihi paksus on 200 nm. Hindasime ülemise LT kihi pinna karedust aatomjõumikroskoopia (AFM) abil.
Joonis 1.a) LToI vahvli pealtvaade, b) ülemise LT kihi pinna AFM kujutis, c) ülemise LT kihi pinna PFM kujutis, d) LToI lainejuhi skemaatiline ristlõige, (e) arvutatud põhiline TE-režiimi profiil ja (f) LToI lainejuhi südamiku SEM-pilt enne SiO2 ülekihi sadestumist. Nagu on näidatud joonisel 1 (b), on pinna karedus alla 1 nm ja kriimustusjooni ei täheldatud. Lisaks uurisime ülemise LT kihi polarisatsiooni olekut piesoelektrilise reaktsioonijõu mikroskoopia (PFM) abil, nagu on kujutatud joonisel 1 (c). Kinnitasime, et ühtlane polarisatsioon säilis ka pärast sidumisprotsessi.
Kasutades seda LToI substraati, valmistasime lainejuhi järgmiselt. Esiteks kanti metallmaski kiht järgnevaks LT kuivsöövitamiseks. Seejärel viidi läbi elektronkiire (EB) litograafia, et määratleda lainejuhi südamiku muster metallmaski kihi peal. Järgmisena kandsime kuivsöövitamise teel EB-resist mustri metallmaski kihile. Seejärel moodustati LToI lainejuhi tuum, kasutades elektrontsüklotronresonantsi (ECR) plasma söövitamist. Lõpuks eemaldati metallmaski kiht märgprotsessi kaudu ja plasmaga täiustatud keemilise aurustamise abil sadestati SiO2 kiht. Joonisel 1 (d) on kujutatud LToI lainejuhi skemaatiline ristlõige. Südamiku kogukõrgus, plaadi kõrgus ja südamiku laius on vastavalt 200 nm, 100 nm ja 1000 nm. Pange tähele, et kiudoptilise sidestuse jaoks laieneb südamiku laius lainejuhi servas 3 µm-ni.
Joonisel 1 (e) on kujutatud põhilise põiki elektrilise (TE) režiimi arvutatud optilise intensiivsuse jaotus 1550 nm juures. Joonisel 1 (f) on kujutatud LToI lainejuhi südamiku skaneeriva elektronmikroskoobi (SEM) kujutist enne SiO2 kattekihi sadestumist.
Lainejuhi omadused:Esmalt hindasime lineaarse kadu omadusi, sisestades TE-polariseeritud valguse 1550 nm lainepikkusega võimendatud spontaansest emissiooniallikast erineva pikkusega LToI lainejuhtidesse. Levikukadu saadi lainejuhi pikkuse ja ülekande vahelise seose kaldest igal lainepikkusel. Mõõdetud levikaod olid lainepikkustel 1530, 1550 ja 1570 nm vastavalt 0,32, 0,28 ja 0,26 dB/cm, nagu on näidatud joonisel 2 (a). Valmistatud LToI lainejuhid näitasid võrreldavat madala kaoga jõudlust tipptasemel LNoI lainejuhtidega [10].
Järgmisena hindasime χ (3) mittelineaarsust nelja laine segamisprotsessiga genereeritud lainepikkuse muundamise kaudu. Sisestame 12 mm pikkusesse lainejuhisse pidevlaine pumba valguse lainepikkusel 1550,0 nm ja signaaltule lainepikkusel 1550,6 nm. Nagu on näidatud joonisel 2 (b), suurenes faasikonjugeeritud (tühikäigu) valguslaine signaali intensiivsus sisendvõimsuse suurenemisega. Joonise 2 (b) sisestus näitab neljalainelise segamise tüüpilist väljundspektrit. Sisendvõimsuse ja muundamise efektiivsuse vahelise seose põhjal hindasime mittelineaarseks parameetriks (γ) ligikaudu 11 W^-1m.
Joonis 3.a ) Valmistatud ringresonaatori mikroskoobi kujutis. (b) Rõngasresonaatori ülekandespektrid erinevate vaheparameetritega. c ) rõngaresonaatori mõõdetud ja Lorentzianiga varustatud ülekandespekter vahega 1000 nm.
Järgmisena valmistasime LToI rõngasresonaatori ja hindasime selle omadusi. Joonisel 3 (a) on näidatud valmistatud rõngasresonaatori optiline mikroskoobi kujutis. Rõngasresonaatoril on "ralliraja" konfiguratsioon, mis koosneb kõverast piirkonnast raadiusega 100 µm ja sirgest piirkonnast pikkusega 100 µm. Rõnga ja siini lainejuhi südamiku vaheline pilu laius varieerub 200 nm sammuga, täpsemalt 800, 1000 ja 1200 nm juures. Joonisel 3 (b) on näidatud iga tühimiku ülekandespektrid, mis näitab, et ekstinktsioonisuhe muutub koos tühimiku suurusega. Nende spektrite põhjal tegime kindlaks, et 1000 nm vahe tagab peaaegu kriitilised sidestustingimused, kuna sellel on kõrgeim ekstinktsioonisuhe -26 dB.
Kasutades kriitiliselt seotud resonaatorit, hindasime kvaliteeditegurit (Q-tegurit), sobitades lineaarse ülekandespektri Lorentzi kõveraga, saades sisemiseks Q-teguriks 1, 1 miljonit, nagu on näidatud joonisel 3 (c). Meile teadaolevalt on see lainejuhiga ühendatud LToI ringresonaatori esimene demonstratsioon. Nimelt on meie saavutatud Q-teguri väärtus oluliselt kõrgem kui kiudühendusega LToI mikroketta resonaatorite oma [9].
Järeldus:Töötasime välja LToI lainejuhi, mille kadu 1550 nm juures on 0, 28 dB / cm ja rõngasresonaatori Q tegur 1, 1 miljonit. Saadud jõudlus on võrreldav nüüdisaegsete madala kadudega LNoI lainejuhtide omaga. Lisaks uurisime toodetud LToI lainejuhi χ (3) mittelineaarsust kiibil asuvate mittelineaarsete rakenduste jaoks.
Postitusaeg: 20.11.2024