Soyut:0,28 dB/cm kayıp ve 1,1 milyon halka rezonatör kalite faktörüne sahip 1550 nm yalıtkan tabanlı lityum tantalat dalga kılavuzu geliştirdik. Doğrusal olmayan fotonikte χ(3) doğrusal olmayan özelliğinin uygulaması incelenmiştir. "Yalıtkan-üzeri" yapısı nedeniyle güçlü optik sınırlama ile birlikte mükemmel χ(2) ve χ(3) doğrusal olmayan özellikler sergileyen lityum niobatın yalıtkan üzerindeki (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'nin optik parametreleri (kırılma indisi ve doğrusal olmayan katsayılar gibi) LN'ninkine benzer olmasına rağmen, daha yüksek bir optik hasar eşiği ve daha geniş bir optik şeffaflık penceresi vardır [4, 5] [6, 7]. Bu nedenle, LToI, yüksek optik güç gerektiren doğrusal olmayan fotonik uygulamalar için güçlü bir aday malzeme olarak öne çıkmaktadır. Dahası, LToI, yüksek hızlı mobil ve kablosuz teknolojilerde kullanılabilen yüzey akustik dalga (SAW) filtre cihazları için birincil malzeme haline gelmektedir. Bu bağlamda, LToI levhaları fotonik uygulamalar için daha yaygın malzemeler haline gelebilir. Bununla birlikte, bugüne kadar, mikrodisk rezonatörler [8] ve elektro-optik faz kaydırıcılar [9] gibi LToI'ye dayalı yalnızca birkaç fotonik cihaz rapor edilmiştir. Bu makalede, düşük kayıplı bir LToI dalga kılavuzu ve bunun bir halka rezonatördeki uygulamasını sunuyoruz. Ek olarak, LToI dalga kılavuzunun χ(3) doğrusal olmayan özelliklerini sağlıyoruz.
Önemli Noktalar:
• Yerli teknoloji ve olgun süreçler kullanılarak, üst katman kalınlıkları 100 nm ile 1500 nm arasında değişen, 4 inç ila 6 inç LToI ince film lityum tantal levhalar sunulmaktadır.
• SINOI: Ultra düşük kayıplı silikon nitrür ince film levhalar.
• SICOI: Silisyum karbür fotonik entegre devreler için yüksek saflıkta yarı yalıtkan silisyum karbür ince film alt tabakalar.
• LTOI: Lityum niobate ve ince film lityum tantalat levhalara güçlü bir rakip.
• LNOI: Daha büyük ölçekli ince film lityum niobat ürünlerinin seri üretimini destekleyen 8 inçlik LNOI.
Yalıtkan Dalga Kılavuzlarında Üretim:Bu çalışmada 4 inçlik LToI plakaları kullandık. Üst LT katmanı, SAW cihazları için ticari olarak temin edilebilen 42° döndürülmüş Y-kesimli bir LT alt tabakasıdır ve akıllı bir kesme işlemi kullanılarak 3 µm kalınlığında termal oksit tabakasına sahip bir Si alt tabakasına doğrudan bağlanmıştır. 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 levhasının 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 katmanının biriktirilmesinden önce LToI dalga kılavuzu çekirdeğinin SEM görüntüsü. Şekil 1 (b)'de gösterildiği gibi, yüzey pürüzlülüğü 1 nm'den azdır ve çizik çizgileri gözlemlenmemiştir. Ek olarak, Şekil 1 (c)'de gösterildiği gibi, piezoelektrik tepki kuvvet 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 şekilde ürettik. İlk olarak, LT'nin daha sonraki kuru aşındırması için bir metal maske tabakası biriktirildi. Ardından, metal maske tabakasının üzerine dalga kılavuzu çekirdek desenini tanımlamak için elektron ışını (EB) litografisi uygulandı. Daha sonra, EB direnç deseni kuru aşındırma yoluyla metal maske tabakasına aktarıldı. Ardından, elektron siklotron rezonansı (ECR) plazma aşındırması kullanılarak LToI dalga kılavuzu çekirdeği 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. Optik fiber bağlantısı için çekirdek genişliğinin dalga kılavuzu kenarında 3 µm'ye kadar genişlediğine dikkat edin.
Şekil 1 (e), 1550 nm'deki temel enine elektrik (TE) modunun hesaplanan optik yoğunluk dağılımını göstermektedir. Şekil 1 (f), SiO2 üst katmanının biriktirilmesinden önce LToI dalga kılavuzu çekirdeğinin taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüsünü göstermektedir.
Dalga kılavuzunun özellikleri:Öncelikle, 1550 nm dalga boyunda yükseltilmiş kendiliğinden emisyon kaynağından gelen TE polarize ışığı, farklı uzunluklardaki LToI dalga kılavuzlarına girerek doğrusal kayıp özelliklerini değerlendirdik. Yayılım kaybı, her dalga boyunda dalga kılavuzu uzunluğu ve iletim arasındaki ilişkinin eğiminden elde edildi. Ölçülen yayılım 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, en gelişmiş LNoI dalga kılavuzlarına kıyasla benzer düşük kayıp performansı sergiledi [10].
Daha sonra, dört dalga karışımı işlemiyle üretilen dalga boyu dönüşümü yoluyla χ(3) doğrusal olmayanlığını değerlendirdik. 12 mm uzunluğundaki bir dalga kılavuzuna 1550,0 nm'de sürekli dalga pompa ışığı ve 1550,6 nm'de sinyal ışığı verdik. Şekil 2 (b)'de gösterildiği gibi, faz eşlenik (idler) ışık dalgası sinyal yoğunluğu, giriş gücü arttıkça arttı. Şekil 2 (b)'deki ek kısım, dört dalga karışımının tipik çıkış spektrumunu göstermektedir. Giriş gücü ve dönüşüm verimliliği arasındaki ilişkiden, doğrusal olmayan parametreyi (γ) yaklaşık 11 W^-1m olarak tahmin ettik.
Şekil 3.(a) Üretilen halka rezonatörün mikroskop görüntüsü. (b) Çeşitli boşluk parametrelerine sahip halka rezonatörün iletim spektrumları. (c) 1000 nm boşluğa sahip halka rezonatörün ölçülen ve Lorentzian'a uydurulan iletim spektrumu.
Daha sonra, bir LToI halka rezonatörü ürettik ve özelliklerini değerlendirdik. Şekil 3 (a), üretilen halka rezonatörün 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 olmak üzere 200 nm'lik artışlarla değişmektedir. Şekil 3 (b), her boşluk için iletim spektrumlarını göstermekte ve sönümleme oranının boşluk boyutuyla değiştiğini belirtmektedir. Bu spektrumlardan, 1000 nm'lik boşluğun neredeyse kritik bağlantı koşulları sağladığını belirledik, çünkü bu boşluk -26 dB'lik en yüksek sönümleme oranını sergilemektedir.
Kritik olarak bağlı rezonatörü kullanarak, doğrusal iletim spektrumunu bir Lorentzian eğrisiyle uydurarak kalite faktörünü (Q faktörü) tahmin ettik ve Şekil 3 (c)'de gösterildiği gibi 1,1 milyonluk bir iç Q faktörü elde ettik. Bildiğimiz kadarıyla, bu, dalga kılavuzuyla bağlı bir LToI halka rezonatörünün ilk gösterimidir. Özellikle, elde ettiğimiz Q faktörü değeri, fiberle bağlı LToI mikrodisk rezonatörlerinin [9] değerinden önemli ölçüde daha yüksektir.
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, en gelişmiş düşük kayıplı LNoI dalga kılavuzlarının performansıyla karşılaştırılabilir düzeydedir. Ek olarak, çip üzerinde doğrusal olmayan uygulamalar için üretilen LToI dalga kılavuzunun χ(3) doğrusal olmayan özelliğini araştırdık.
Yayın tarihi: 20 Kasım 2024