Soyut:0,28 dB/cm kayba ve 1,1 milyon halka rezonatör kalite faktörüne sahip 1550 nm yalıtkan bazlı lityum tantalat dalga kılavuzu geliştirdik. χ(3) doğrusal olmayanlığının doğrusal olmayan fotonikte uygulanması incelenmiştir. Mükemmel χ(2) ve χ(3) doğrusal olmayan özelliklerinin yanı sıra "yalıtkan-üzerinde" yapısı sayesinde güçlü optik sınırlama özelliği sergileyen yalıtkan üzerinde lityum niyobatın (LNoI) avantajları, ultra hızlı modülatörler ve entegre doğrusal olmayan fotonik için dalga kılavuzu teknolojisinde önemli ilerlemelere yol açmıştır [1-3]. LN'ye ek olarak, lityum tantalat (LT) da doğrusal olmayan bir fotonik malzeme olarak araştırılmıştır. LN ile karşılaştırıldığında LT, daha yüksek bir optik hasar eşiğine ve daha geniş bir optik şeffaflık penceresine sahiptir [4, 5], ancak kırılma indisi ve doğrusal olmayan katsayılar gibi optik parametreleri LN'ninkilere benzerdir [6, 7]. Bu nedenle, LToI, yüksek optik güçlü doğrusal olmayan fotonik uygulamalar için bir diğer güçlü aday malzeme olarak öne çıkmaktadır. Dahası, LToI, yüksek hızlı mobil ve kablosuz teknolojilerde uygulanabilir yüzey akustik dalgası (SAW) filtre cihazları için birincil bir malzeme haline gelmektedir. Bu bağlamda, LToI gofretleri fotonik uygulamalar için daha yaygın malzemeler haline gelebilir. Ancak, bugüne kadar, mikrodisk rezonatörler [8] ve elektro-optik faz kaydırıcılar [9] gibi LToI tabanlı yalnızca birkaç fotonik cihaz bildirilmiştir. Bu makalede, düşük kayıplı bir LToI dalga kılavuzunu ve bir halka rezonatördeki uygulamasını sunuyoruz. Ek olarak, LToI dalga kılavuzunun χ(3) doğrusal olmayan özelliklerini sağlıyoruz.
Önemli Noktalar:
• Yerli teknoloji ve olgun prosesler kullanarak, 100 nm ile 1500 nm arasında üst katman kalınlıklarına sahip 4 inç ile 6 inç LToI gofretler, ince film lityum tantalat gofretler sunuyoruz.
• SINOI: Ultra düşük kayıplı silisyum nitrür ince film gofretler.
• SICOI: Silisyum karbür fotonik entegre devreler için yüksek saflıkta yarı yalıtkan silisyum karbür ince film alt tabakaları.
• LTOI: Lityum niyobat, ince film lityum tantalat gofretlere güçlü bir rakip.
• LNOI: Daha büyük ölçekli ince film lityum niyobat ürünlerinin seri üretimini destekleyen 8 inçlik LNOI.
Yalıtkan Dalga Kılavuzlarında Üretim:Bu çalışmada, 4 inç LToI yongaları kullandık. Üst LT katmanı, akıllı bir kesme işlemi kullanılarak 3 µm kalınlığında bir termal oksit tabakasına sahip bir Si alt tabakaya doğrudan bağlanan, SAW cihazları için 42° döndürülmüş Y kesimli ticari bir LT alt tabakasıdır. Şekil 1(a), üst LT katman kalınlığı 200 nm olan LToI yongasının üstten görünümünü göstermektedir. Üst LT katmanının yüzey pürüzlülüğünü atomik kuvvet mikroskobu (AFM) kullanarak değerlendirdik.
Şekil 1.(a) LToI yongasının üstten görünümü, (b) Üst LT katmanının yüzeyinin AFM görüntüsü, (c) Üst LT katmanının yüzeyinin PFM görüntüsü, (d) LToI dalga kılavuzunun şematik kesiti, (e) Hesaplanan temel TE mod profili ve (f) SiO2 üst katmanı biriktirilmeden önce LToI dalga kılavuzu çekirdeğinin SEM görüntüsü. Şekil 1 (b)'de gösterildiği gibi, yüzey pürüzlülüğü 1 nm'den azdır ve herhangi bir çizik çizgisi gözlenmemiştir. Ayrıca, Şekil 1 (c)'de gösterildiği gibi, piezoelektrik tepki kuvveti mikroskobu (PFM) kullanarak üst LT katmanının polarizasyon durumunu inceledik. Bağlama işleminden sonra bile düzgün polarizasyonun korunduğunu doğruladık.
Bu LToI alttaşını kullanarak dalga kılavuzunu şu şekilde ürettik. İlk olarak, LT'nin daha sonraki kuru aşındırması için bir metal maske tabakası biriktirildi. Ardından, metal maske tabakasının üzerinde dalga kılavuzu çekirdek desenini tanımlamak için elektron demeti (EB) litografisi gerçekleştirildi. Daha sonra, EB direnç desenini kuru aşındırma yoluyla metal maske tabakasına aktardık. Daha sonra, LToI dalga kılavuzu çekirdeği elektron siklotron rezonans (ECR) plazma aşındırması kullanılarak oluşturuldu. Son olarak, metal maske tabakası ıslak bir işlemle çıkarıldı ve plazma destekli kimyasal buhar biriktirme kullanılarak bir SiO2 üst tabakası biriktirildi. Şekil 1 (d), LToI dalga kılavuzunun şematik kesitini göstermektedir. Toplam çekirdek yüksekliği, plaka yüksekliği ve çekirdek genişliği sırasıyla 200 nm, 100 nm ve 1000 nm'dir. Çekirdek genişliğinin, optik fiber kuplajı için dalga kılavuzu kenarında 3 µm'ye kadar genişlediğine dikkat edin.
Şekil 1 (e), 1550 nm'de temel enine elektrik (TE) modunun hesaplanan optik yoğunluk dağılımını göstermektedir. Şekil 1 (f), SiO2 üst tabakasının biriktirilmesinden önce LToI dalga kılavuzu çekirdeğinin taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüsünü göstermektedir.
Dalga Kılavuzu Özellikleri:Öncelikle, 1550 nm dalga boyunda yükseltilmiş kendiliğinden emisyon kaynağından gelen TE polarize ışığı, farklı uzunluklardaki LToI dalga kılavuzlarına girerek doğrusal kayıp özelliklerini değerlendirdik. Yayılma kaybı, dalga kılavuzu uzunluğu ile her dalga boyundaki iletim arasındaki ilişkinin eğiminden elde edildi. Ölçülen yayılma kayıpları, Şekil 2 (a)'da gösterildiği gibi, 1530, 1550 ve 1570 nm'de sırasıyla 0,32, 0,28 ve 0,26 dB/cm idi. Üretilen LToI dalga kılavuzları, en son teknoloji ürünü LNoI dalga kılavuzlarına benzer düşük kayıplı bir performans sergiledi [10].
Daha sonra, dört dalga karıştırma işlemiyle oluşturulan dalga boyu dönüşümü aracılığıyla χ(3) doğrusal olmayanlığını değerlendirdik. 1550,0 nm'de bir sürekli dalga pompası ışığı ve 1550,6 nm'de bir sinyal ışığını 12 mm uzunluğundaki bir dalga kılavuzuna girdik. Şekil 2 (b)'de gösterildiği gibi, faz-eşlenik (boşta) ışık dalgası sinyal yoğunluğu, artan giriş gücüyle birlikte arttı. Şekil 2 (b)'deki ek, dört dalga karıştırmanın tipik çıkış spektrumunu göstermektedir. Giriş gücü ve dönüşüm verimliliği arasındaki ilişkiden yola çıkarak, doğrusal olmayan parametrenin (γ) yaklaşık 11 W^-1m olduğunu tahmin ettik.
Şekil 3.(a) Üretilen halka rezonatörünün mikroskop görüntüsü. (b) Çeşitli boşluk parametrelerine sahip halka rezonatörünün iletim spektrumları. (c) 1000 nm boşluklu halka rezonatörünün ölçülmüş ve Lorentzian-uygulanmış iletim spektrumu.
Daha sonra, bir LToI halka rezonatörü ürettik ve özelliklerini değerlendirdik. Şekil 3 (a), üretilen halka rezonatörünün optik mikroskop görüntüsünü göstermektedir. Halka rezonatör, 100 µm yarıçaplı kavisli bir bölge ve 100 µm uzunluğunda düz bir bölgeden oluşan bir "yarış pisti" konfigürasyonuna sahiptir. Halka ile veri yolu dalga kılavuzu çekirdeği arasındaki boşluk genişliği, özellikle 800, 1000 ve 1200 nm'de 200 nm'lik artışlarla değişir. Şekil 3 (b), her boşluk için iletim spektrumlarını göstererek, sönüm oranının boşluk boyutuna göre değiştiğini göstermektedir. Bu spektrumlardan, 1000 nm aralığının -26 dB ile en yüksek sönüm oranını sergilediği için neredeyse kritik kuplaj koşulları sağladığını belirledik.
Kritik olarak eşleştirilmiş rezonatör kullanarak, doğrusal iletim spektrumunu bir Lorentz eğrisine uydurarak kalite faktörünü (Q faktörü) tahmin ettik ve Şekil 3 (c)'de gösterildiği gibi 1,1 milyonluk bir iç Q faktörü elde ettik. Bilgimize göre, bu, dalga kılavuzuna bağlı bir LToI halka rezonatörünün ilk gösterimidir. Elde ettiğimiz Q faktörü değerinin, fibere bağlı LToI mikrodisk rezonatörlerinden önemli ölçüde daha yüksek olduğu dikkat çekicidir [9].
Çözüm:1550 nm'de 0,28 dB/cm kayba ve 1,1 milyon halka rezonatör Q faktörüne sahip bir LToI dalga kılavuzu geliştirdik. Elde edilen performans, son teknoloji düşük kayıplı LNoI dalga kılavuzlarının performansına benzerdir. Ek olarak, çip üstü doğrusal olmayan uygulamalar için üretilen LToI dalga kılavuzunun χ(3) doğrusal olmayanlığını araştırdık.
Gönderi zamanı: 20-Kas-2024