Kokkuvõte:Oleme välja töötanud 1550 nm isolaatoril põhineva liitiumtantalaadist lainejuhi, mille kadu on 0,28 dB/cm ja rõngasresonaatori kvaliteeditegur on 1,1 miljonit. Uuritud on χ(3) mittelineaarsuse rakendamist mittelineaarses fotoonikas. Liitiumniobaadi isolaatoril (LNoI) eelised, millel on suurepärased χ(2) ja χ(3) mittelineaarsed omadused koos tugeva optilise piiramisega tänu oma "isolaatoril" struktuurile, on viinud oluliste edusammudeni lainejuhtide tehnoloogias ülikiirete modulaatorite ja integreeritud mittelineaarsete fotoonika jaoks [1-3]. Lisaks LN-ile on liitiumtantalaati (LT) uuritud ka mittelineaarse fotoonilise materjalina. Võrreldes LN-iga 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 veel üks tugev kandidaatmaterjal suure optilise võimsusega mittelineaarsete fotoonika rakenduste jaoks. Lisaks on LToI-st saamas peamine materjal pinnaakustiliste lainete (SAW) filtriseadmetes, mida saab kasutada kiirete mobiil- ja traadita tehnoloogiate puhul. Selles kontekstis võivad LToI vahvlid muutuda footonrakenduste jaoks levinumaks materjaliks. Siiski on praeguseks teatatud vaid vähestest LToI-põhistest footonseadmetest, näiteks mikroketaste resonaatoritest [8] ja elektrooptilistest faasinihutitest [9]. Selles artiklis tutvustame väikese kadudega LToI lainejuhti ja selle rakendust rõngasresonaatoris. Lisaks pakume LToI lainejuhi χ(3) mittelineaarseid karakteristikuid.
Põhipunktid:
• Pakume 4–6-tolliseid LToI vahvleid, õhukese kilega liitiumtantalaatvahvleid, mille pealmise kihi paksus on vahemikus 100 nm kuni 1500 nm, kasutades kodumaist tehnoloogiat ja väljaarendatud protsesse.
• SINOI: Ülimadala kadudega räninitriidist õhukese kilega vahvlid.
• SICOI: Kõrge puhtusastmega poolisoleerivad ränikarbiidist õhukese kilega aluspinnad ränikarbiidist footonintegraallülituste jaoks.
• LTOI: Liitiumniobaadi tugev konkurent, õhukese kilega liitiumtantalaatplaadid.
• LNOI: 8-tolline LNOI, mis toetab suuremahuliste õhukese kilega liitiumniobaattoodete masstootmist.
Isolaatorlainejuhtide tootmine:Selles uuringus kasutasime 4-tolliseid LToI vahvleid. Pealmine LT-kiht on kaubanduslik 42° nurga all pööratud Y-kujuliselt lõigatud LT-substraat SAW-seadmete jaoks, mis on nutika lõikeprotsessi abil otse ränisubstraadile ühendatud 3 µm paksuse termilise oksiidikihiga. Joonis 1(a) näitab LToI vahvli pealtvaadet, mille pealmise LT-kihi paksus on 200 nm. Pealmise LT-kihi pinnakaredust hindasime aatomjõumikroskoopia (AFM) abil.
Joonis 1.(a) LToI vahvli pealtvaade, (b) ülemise LT-kihi pinna AFM-pilt, (c) ülemise LT-kihi pinna PFM-pilt, (d) LToI lainejuhi skemaatiline ristlõige, (e) arvutatud põhilise TE-režiimi profiil ja (f) LToI lainejuhi südamiku SEM-pilt enne SiO2 pealiskihi sadestamist. Nagu on näidatud joonisel 1 (b), on pinna karedus alla 1 nm ja kriimustusi ei täheldatud. Lisaks uurisime ülemise LT-kihi polarisatsiooniseisundit piesoelektrilise reageerimisjõu mikroskoopia (PFM) abil, nagu on kujutatud joonisel 1 (c). Me kinnitasime, et ühtlane polarisatsioon säilis ka pärast liimimisprotsessi.
Kasutades seda LToI substraati, valmistasime lainejuhi järgmiselt. Esmalt sadestati metallmaski kiht LT järgnevaks kuivsöövitamiseks. Seejärel teostati elektronkiire (EB) litograafia, et määratleda lainejuhi südamiku muster metallmaski kihi peale. Järgmisena kandsime EB resistimustri kuivsöövitamise teel metallmaski kihile. Seejärel moodustati LToI lainejuhi südamik elektrontsüklotronresonantsi (ECR) plasmasöövitamise abil. Lõpuks eemaldati metallmaski kiht märgprotsessi abil ja SiO2 pealiskiht sadestati plasma abil võimendatud keemilise aurustamise abil. Joonis 1 (d) näitab LToI lainejuhi skemaatilist ristlõiget. Südamiku kogukõrgus, plaadi kõrgus ja südamiku laius on vastavalt 200 nm, 100 nm ja 1000 nm. Pange tähele, et südamiku laius laieneb lainejuhi servas optilise kiu ühendamiseks 3 µm-ni.
Joonis 1 (e) näitab fundamentaalse põikelektrilise (TE) moodi arvutatud optilise intensiivsuse jaotust lainepikkusel 1550 nm. Joonis 1 (f) näitab LToI lainejuhi südamiku skaneeriva elektronmikroskoobi (SEM) pilti enne SiO2 pealiskihi sadestamist.
Lainejuhi omadused:Esmalt hindasime lineaarsete kadude karakteristikuid, sisestades TE-polariseeritud valgust 1550 nm lainepikkusega võimendatud spontaanse emissiooniallikast erineva pikkusega LToI lainejuhtidesse. Levikaod saadi lainejuhi pikkuse ja läbilaskvuse vahelise seose tõusust igal lainepikkusel. Mõõdetud levikaod olid vastavalt 0,32, 0,28 ja 0,26 dB/cm lainepikkustel 1530, 1550 ja 1570 nm, nagu on näidatud joonisel 2 (a). Valmistatud LToI lainejuhid näitasid võrreldavat madala kaduga jõudlust tipptasemel LNoI lainejuhtidega [10].
Järgmisena hindasime χ(3) mittelineaarsust neljalainelise segamisprotsessi tekitatud lainepikkuse muundamise kaudu. Sisestasime 12 mm pikkusesse lainejuhti pidevlaine pumbavalguse lainepikkusel 1550,0 nm ja signaalvalguse lainepikkusel 1550,6 nm. Nagu joonisel 2 (b) näidatud, suurenes faasikonjugaadi (tühikäigu) valguslaine signaali intensiivsus sisendvõimsuse suurenemisega. Joonisel 2 (b) olev sisestus näitab neljalainelise segamise tüüpilist väljundspektrit. Sisendvõimsuse ja muundamise efektiivsuse vahelise seose põhjal hindasime mittelineaarse parameetri (γ) väärtuseks ligikaudu 11 W^-1m2.
Joonis 3.(a) Valmistatud rõngasresonaatori mikroskoobi pilt. (b) Rõngasresonaatori läbilaskvusspekter erinevate pilu parameetritega. (c) Rõngasresonaatori mõõdetud ja Lorentzi meetodil sobitatud läbilaskvusspekter piluga 1000 nm.
Järgmisena valmistasime LToI rõngasresonaatori ja hindasime selle omadusi. Joonis 3 (a) näitab valmistatud rõngasresonaatori optilise mikroskoobi pilti. Rõngasresonaatoril on "võidusõiduraja" konfiguratsioon, mis koosneb 100 µm raadiusega kõverast piirkonnast ja 100 µm pikkusest sirgest piirkonnast. Rõnga ja siinilainejuhi südamiku vaheline pilu laius varieerub 200 nm kaupa, täpsemalt 800, 1000 ja 1200 nm juures. Joonis 3 (b) näitab iga pilu läbilaskvusspektrit, mis näitab, et ekstinktsioonisuhe muutub koos pilu suurusega. Nende spektrite põhjal tegime kindlaks, et 1000 nm pilu tagab peaaegu kriitilised sidestustingimused, kuna see näitab kõrgeimat ekstinktsioonisuhet -26 dB.
Kriitiliselt sidestatud resonaatorit kasutades hindasime kvaliteeditegurit (Q-tegurit), sobitades lineaarse läbilaskvusspektri Lorentzi kõveraga, saades sisemise Q-teguri 1,1 miljonit, nagu on näidatud joonisel 3 (c). Meie teada on see lainejuhiga sidestatud LToI rõngasresonaatori esimene demonstratsioon. Märkimisväärne on see, et saavutatud Q-teguri väärtus on oluliselt kõrgem kui kiudühendusega LToI mikroketasresonaatoritel [9].
Järeldus:Me arendasime LToI lainejuhi, mille kadu on 0,28 dB/cm lainepikkusel 1550 nm ja rõngasresonaatori Q-tegur on 1,1 miljonit. Saadud jõudlus on võrreldav tipptasemel väikese kadudega LNoI lainejuhtide omaga. Lisaks uurisime valmistatud LToI lainejuhi χ(3) mittelineaarsust kiibil paiknevate mittelineaarsete rakenduste jaoks.
Postituse aeg: 20. november 2024