Soyut:0,28 dB/cm kayba ve 1,1 milyon halka rezonatör kalite faktörüne sahip 1550 nm yalıtkan tabanlı lityum tantalat dalga kılavuzu geliştirdik. Doğrusal olmayan fotonikte χ(3) doğrusal olmayanlığının uygulanması incelenmiştir. "Yalıtkan-üzerinde" yapısı nedeniyle güçlü optik sınırlama ile birlikte mükemmel χ(2) ve χ(3) doğrusal olmayan özellikler sergileyen yalıtkan üzerindeki 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) de doğrusal olmayan bir fotonik malzeme olarak araştırılmıştır. LN ile karşılaştırıldığında LT, kırılma indisi ve doğrusal olmayan katsayılar gibi optik parametreleri LN'ninkilere benzer olsa da daha yüksek bir optik hasar eşiğine ve daha geniş bir optik şeffaflık penceresine sahiptir [4, 5]. 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 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 rezonatöründeki 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 ila 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 ve ince film lityum tantalat yongalarına 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 inçlik LToI gofretleri kullandık. Üst LT tabakası, akıllı bir kesme işlemi kullanılarak 3 µm kalınlığında termal oksit tabakasına sahip bir Si substratına doğrudan bağlanmış, SAW cihazları için ticari 42° döndürülmüş Y kesimli LT substratıdır. Şekil 1(a), üst LT tabakası kalınlığı 200 nm olan LToI gofretinin üstten görünümünü göstermektedir. Üst LT tabakasının 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 katman birikiminden önce LToI dalga kılavuzu çekirdeğinin SEM görüntüsü. Şekil 1 (b)'de gösterildiği gibi, yüzey pürüzlülüğü 1 nm'den azdır ve hiçbir çizik çizgisi gözlenmemiştir. Ek olarak, 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 alt tabakasını kullanarak, dalga kılavuzunu aşağıdaki gibi ürettik. İlk olarak, LT'nin sonraki kuru aşındırması için bir metal maske tabakası biriktirildi. Daha sonra, metal maske tabakasının üstünde dalga kılavuzu çekirdek desenini tanımlamak için elektron ışını (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, her dalga boyunda dalga kılavuzu uzunluğu ile iletim arasındaki ilişkinin eğiminden elde edildi. Ölçülen yayılma kayıpları, Şekil 2 (a)'da gösterildiği gibi sırasıyla 1530, 1550 ve 1570 nm'de 0,32, 0,28 ve 0,26 dB/cm idi. Üretilen LToI dalga kılavuzları, son teknoloji LNoI dalga kılavuzlarına [10] benzer düşük kayıp performansı gösterdi.
Sonra, dört dalga karıştırma işlemiyle oluşturulan dalga boyu dönüşümü yoluyla χ(3) doğrusal olmayanlığını değerlendirdik. 1550,0 nm'de sürekli dalga pompası ışığı ve 1550,6 nm'de sinyal ışığını 12 mm uzunluğundaki bir dalga kılavuzuna girdik. Şekil 2 (b)'de gösterildiği gibi, faz-eşlenik (tembel) ışık dalgası sinyal yoğunluğu artan giriş gücüyle arttı. Şekil 2 (b)'deki ek, dört dalga karıştırmanın 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 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 rezonatörü, 100 µm yarıçaplı eğimli 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 gösterir ve sönme oranının boşluk boyutuyla değiştiğini gösterir. Bu spektrumlardan, 1000 nm boşluğunun -26 dB'lik en yüksek sönme oranını sergilediği için neredeyse kritik bağlantı koşulları sağladığını belirledik.
Kritik olarak eşleştirilmiş rezonatörü kullanarak, doğrusal iletim spektrumunu bir Lorentzian eğrisine uydurarak kalite faktörünü (Q faktörü) tahmin ettik ve Şekil 3 (c)'de gösterildiği gibi 1,1 milyonluk bir dahili Q faktörü elde ettik. Bilgimize göre, bu bir dalga kılavuzu-eşleştirilmiş LToI halka rezonatörünün ilk gösterimidir. Özellikle, elde ettiğimiz Q faktörü değeri fiber-eşleştirilmiş LToI mikrodisk rezonatörlerininkinden önemli ölçüde daha yüksektir [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