Soyut:0,28 dB/cm kayıp ve 1,1 milyon halka rezonatör kalite faktörü ile 1550 nm yalıtkan bazlı lityum tantalat dalga kılavuzu geliştirdik. Doğrusal olmayan fotonikte χ(3) doğrusal olmama durumunun uygulanması incelenmiştir. "Yalıtkan açık" yapısı nedeniyle güçlü optik sınırlamanın yanı sıra mükemmel χ(2) ve χ(3) doğrusal olmayan özellikler sergileyen yalıtkan üzerindeki lityum niyobatın (LNoI) avantajları, ultra hızlı dalga kılavuzu teknolojisinde önemli ilerlemelere yol açmıştır. modülatörler ve entegre doğrusal olmayan fotonikler [1-3]. LN'ye ek olarak lityum tantalat (LT) de 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 başka bir güçlü aday malzeme olarak öne çıkıyor. Ayrıca LToI, yüksek hızlı mobil ve kablosuz teknolojilerde uygulanabilen yüzey akustik dalga (SAW) filtre cihazları için birincil malzeme haline geliyor. Bu bağlamda LToI levhaları fotonik uygulamalar için daha yaygın malzemeler haline gelebilir. Ancak bugüne kadar mikrodisk rezonatörler [8] ve elektro-optik faz kaydırıcılar [9] gibi LToI'ye dayanan yalnızca birkaç fotonik cihaz rapor edilmiştir. Bu yazıda, düşük kayıplı bir LToI dalga kılavuzu ve bunun halka rezonatördeki uygulamasını sunuyoruz. Ek olarak LToI dalga kılavuzunun χ(3) doğrusal olmayan özelliklerini sağlıyoruz.
Anahtar Noktalar:
• Yerli teknoloji ve olgun süreçleri kullanarak, 100 nm ila 1500 nm arasında değişen üst katman kalınlıklarına sahip 4 inç ila 6 inç LToI levhalar, ince film lityum tantalat levhalar sunmak.
• SINOI: Ultra düşük kayıplı silikon nitrür ince film tabakaları.
• SICOI: Silisyum karbür fotonik entegre devreler için yüksek saflıkta yarı yalıtımlı silisyum karbür ince film substratları.
• LTOI: Lityum niyobat, ince film lityum tantalat levhalara karşı güçlü bir rakip.
• LNOI: Daha büyük ölçekli ince film lityum niyobat ürünlerinin seri üretimini destekleyen 8 inç LNOI.
Yalıtkan Dalga Kılavuzlarında İmalat:Bu çalışmada 4 inçlik LToI gofretleri kullandık. Üst LT katmanı, SAW cihazları için ticari 42° döndürülmüş Y-kesimli LT alt katmanıdır ve akıllı bir kesme işlemi kullanılarak 3 µm kalınlığında bir termal oksit katmanıyla doğrudan bir Si alt katmanına bağlanır. Şekil 1(a), üst LT katman kalınlığı 200 nm olan LToI plakasının 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 modu profili ve (f) SiO2 üst katman birikmesinden 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. Ek olarak, Şekil 1 (c)'de gösterildiği gibi piezoelektrik tepki kuvveti mikroskobu (PFM) kullanılarak üst LT katmanının polarizasyon durumunu inceledik. Bağlama işleminden sonra bile düzgün polarizasyonun korunduğunu doğruladık.
Bu LToI substratını kullanarak dalga kılavuzunu aşağıdaki gibi ürettik. İlk olarak, LT'nin daha sonra kuru olarak aşındırılması için metal bir maske tabakası biriktirildi. Daha sonra metal maske katmanının üzerindeki dalga kılavuzu çekirdek desenini tanımlamak için elektron ışını (EB) litografisi yapıldı. Daha sonra EB direnç desenini kuru aşındırma yoluyla metal maske katmanına aktardık. Daha sonra LToI dalga kılavuzu çekirdeği, elektron siklotron rezonansı (ECR) plazma aşındırması kullanılarak oluşturuldu. Son olarak, metal maske katmanı ıslak bir işlemle çıkarıldı ve plazmayla güçlendirilmiş kimyasal buhar biriktirme kullanılarak bir SiO2 üst katmanı 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. Optik fiber bağlantısı için çekirdek genişliğinin dalga kılavuzu kenarında 3 µm'ye kadar genişlediğini unutmayın.
Şekil 1 (e), 1550 nm'de temel enine elektrik (TE) modunun hesaplanan optik yoğunluk dağılımını gösterir. Şekil 1 (f), SiO2 üst katmanının birikmesinden önce LToI dalga kılavuzu çekirdeğinin taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüsünü gösterir.
Dalga Kılavuzu Özellikleri:İlk olarak doğrusal kayıp özelliklerini, 1550 nm dalga boyuna sahip güçlendirilmiş bir spontan emisyon kaynağından gelen TE-polarize ışığı, değişen uzunluklardaki LToI dalga kılavuzlarına girerek 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, son teknoloji ürünü LNoI dalga kılavuzlarıyla karşılaştırılabilir düşük kayıp performansı sergiledi [10].
Daha sonra, dört dalgalı bir karıştırma işlemi tarafından oluşturulan dalga boyu dönüşümü yoluyla χ(3) doğrusal olmayanlığını değerlendirdik. 12 mm uzunluğunda bir dalga kılavuzuna 1550,0 nm'de sürekli bir dalga pompası ışığı ve 1550,6 nm'de bir sinyal ışığı giriyoruz. Şekil 2(b)'de gösterildiği gibi, faz-eşlenik (boş) ışık dalgası sinyal yoğunluğu, giriş gücünün artmasıyla birlikte arttı. Şekil 2 (b)'deki ek, dört dalgalı karışımın tipik çıkış spektrumunu göstermektedir. Giriş gücü ile dönüşüm verimliliği arasındaki ilişkiden doğrusal olmayan parametrenin (γ) yaklaşık 11 W^-1m olduğunu tahmin ettik.
Şekil 3.(a) Üretilen halka rezonatörün mikroskop görüntüsü. (b) Halka rezonatörünün çeşitli boşluk parametreleriyle iletim spektrumları. (c) 1000 nm aralıklı halka rezonatörünün ölçülen ve Lorentzian'a uygun iletim spektrumu.
Daha sonra bir LToI halka rezonatörü ürettik ve özelliklerini değerlendirdik. Şekil 3(a), üretilen halka rezonatörün optik mikroskop görüntüsünü göstermektedir. Halka rezonatör, yarıçapı 100 µm olan kavisli bir bölgeden ve uzunluğu 100 µm olan düz bir bölgeden oluşan bir "yarış pisti" konfigürasyonuna sahiptir. Halka ile veri yolu dalga kılavuzu çekirdeği arasındaki boşluk genişliği 200 nm'lik artışlarla, özellikle 800, 1000 ve 1200 nm'de değişir. Şekil 3(b), her bir boşluk için iletim spektrumlarını gösterir; bu, yok olma oranının boşluk boyutuyla birlikte değiştiğini gösterir. Bu spektrumlardan, -26 dB'lik en yüksek sönme oranını sergilediği için 1000 nm aralığının neredeyse kritik birleştirme koşulları sağladığını belirledik.
Kritik olarak bağlanmış rezonatörü kullanarak, Şekil 3 (c)'de gösterildiği gibi, 1,1 milyonluk bir dahili Q faktörü elde ederek, doğrusal iletim spektrumunu bir Lorentz eğrisine uydurarak kalite faktörünü (Q faktörü) tahmin ettik. Bildiğimiz kadarıyla bu, dalga kılavuzuna bağlı bir LToI halka rezonatörünün ilk gösterimidir. Özellikle elde ettiğimiz Q faktörü değeri, fiber bağlantılı LToI mikrodisk rezonatörlerininkinden önemli ölçüde daha yüksektir [9].
Çözüm:1550 nm'de 0,28 dB/cm kayıplı ve 1,1 milyon halka rezonatör Q faktörüne sahip bir LToI dalga kılavuzu geliştirdik. Elde edilen performans, son teknoloji ürünü düşük kayıplı LNoI dalga kılavuzlarıyla karşılaştırılabilir düzeydedir. Ek olarak, çip üzerinde doğrusal olmayan uygulamalar için üretilen LToI dalga kılavuzunun χ(3) doğrusal olmayanlığını araştırdık.
Gönderim zamanı: 20 Kasım 2024