Astratto:Abbiamo sviluppato una guida d'onda in tantalato di litio a base isolante da 1550 nm con una perdita di 0,28 dB/cm e un fattore di qualità del risonatore ad anello di 1,1 milioni. È stata studiata l'applicazione della non linearità χ(3) nella fotonica non lineare. I vantaggi del niobato di litio su isolante (LNoI), che presenta eccellenti proprietà non lineari χ(2) e χ(3) insieme a un forte confinamento ottico dovuto alla sua struttura "isolante-su", hanno portato a progressi significativi nella tecnologia delle guide d'onda per modulatori ultraveloci e fotonica non lineare integrata [1-3]. Oltre al LN, anche il tantalato di litio (LT) è stato studiato come materiale fotonico non lineare. Rispetto al LN, LT presenta una soglia di danno ottico più elevata e una finestra di trasparenza ottica più ampia [4, 5], sebbene i suoi parametri ottici, come l'indice di rifrazione e i coefficienti non lineari, siano simili a quelli del LN [6, 7]. Pertanto, LToI si distingue come un altro valido materiale candidato per applicazioni fotoniche non lineari ad alta potenza ottica. Inoltre, LToI sta diventando un materiale primario per dispositivi di filtraggio delle onde acustiche di superficie (SAW), applicabili nelle tecnologie mobili e wireless ad alta velocità. In questo contesto, i wafer LToI potrebbero diventare materiali più comuni per applicazioni fotoniche. Tuttavia, ad oggi, sono stati segnalati solo pochi dispositivi fotonici basati su LToI, come i risonatori a microdisco [8] e gli sfasatori elettro-ottici [9]. In questo articolo, presentiamo una guida d'onda LToI a bassa perdita e la sua applicazione in un risonatore ad anello. Inoltre, forniamo le caratteristiche non lineari χ(3) della guida d'onda LToI.
Punti chiave:
• Offriamo wafer LToI da 4 a 6 pollici, wafer di tantalato di litio a film sottile, con spessori dello strato superiore che vanno da 100 nm a 1500 nm, utilizzando tecnologie nazionali e processi maturi.
• SINOI: Wafer a film sottile di nitruro di silicio a bassissima perdita.
• SICOI: Substrati a film sottile di carburo di silicio semiisolante ad elevata purezza per circuiti integrati fotonici in carburo di silicio.
• LTOI: un forte concorrente del niobato di litio, wafer di tantalato di litio a film sottile.
• LNOI: LNOI da 8 pollici che supporta la produzione in serie di prodotti in niobato di litio a film sottile su larga scala.
Produzione su guide d'onda isolanti:In questo studio, abbiamo utilizzato wafer LToI da 4 pollici. Lo strato LT superiore è un substrato LT commerciale con taglio a Y ruotato di 42° per dispositivi SAW, che è direttamente legato a un substrato di Si con uno strato di ossido termico spesso 3 µm, utilizzando un processo di taglio intelligente. La Figura 1(a) mostra una vista dall'alto del wafer LToI, con uno spessore dello strato LT superiore di 200 nm. Abbiamo valutato la rugosità superficiale dello strato LT superiore utilizzando la microscopia a forza atomica (AFM).
Figura 1.(a) Vista dall'alto del wafer LToI, (b) Immagine AFM della superficie dello strato LT superiore, (c) Immagine PFM della superficie dello strato LT superiore, (d) Sezione trasversale schematica della guida d'onda LToI, (e) Profilo modale TE fondamentale calcolato e (f) Immagine SEM del nucleo della guida d'onda LToI prima della deposizione dello strato sovrapposto di SiO2. Come mostrato in Figura 1 (b), la rugosità superficiale è inferiore a 1 nm e non sono state osservate linee di graffio. Inoltre, abbiamo esaminato lo stato di polarizzazione dello strato LT superiore utilizzando la microscopia a forza di risposta piezoelettrica (PFM), come illustrato in Figura 1 (c). Abbiamo confermato che la polarizzazione uniforme è stata mantenuta anche dopo il processo di saldatura.
Utilizzando questo substrato LToI, abbiamo fabbricato la guida d'onda come segue. Innanzitutto, è stato depositato uno strato di maschera metallica per la successiva incisione a secco della LT. Quindi, è stata eseguita una litografia a fascio elettronico (EB) per definire il pattern del nucleo della guida d'onda sopra lo strato di maschera metallica. Successivamente, abbiamo trasferito il pattern del resist EB allo strato di maschera metallica tramite incisione a secco. Successivamente, il nucleo della guida d'onda LToI è stato formato mediante incisione al plasma con risonanza ciclotronica elettronica (ECR). Infine, lo strato di maschera metallica è stato rimosso tramite un processo a umido e uno strato sovrapposto di SiO2 è stato depositato mediante deposizione chimica da vapore con plasma. La Figura 1 (d) mostra la sezione trasversale schematica della guida d'onda LToI. L'altezza totale del nucleo, l'altezza della piastra e la larghezza del nucleo sono rispettivamente di 200 nm, 100 nm e 1000 nm. Si noti che la larghezza del nucleo si espande fino a 3 µm al bordo della guida d'onda per l'accoppiamento in fibra ottica.
La Figura 1 (e) mostra la distribuzione di intensità ottica calcolata del modo elettrico trasversale fondamentale (TE) a 1550 nm. La Figura 1 (f) mostra l'immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) del nucleo della guida d'onda LToI prima della deposizione dello strato di SiO2.
Caratteristiche della guida d'onda:Abbiamo innanzitutto valutato le caratteristiche di perdita lineare immettendo luce polarizzata TE da una sorgente di emissione spontanea amplificata a lunghezza d'onda di 1550 nm in guide d'onda LToI di diverse lunghezze. La perdita di propagazione è stata ottenuta dalla pendenza della relazione tra lunghezza della guida d'onda e trasmissione a ciascuna lunghezza d'onda. Le perdite di propagazione misurate erano 0,32, 0,28 e 0,26 dB/cm rispettivamente a 1530, 1550 e 1570 nm, come mostrato in Figura 2 (a). Le guide d'onda LToI fabbricate hanno mostrato prestazioni di bassa perdita comparabili alle guide d'onda LNoI allo stato dell'arte [10].
Successivamente, abbiamo valutato la non linearità χ(3) attraverso la conversione di lunghezza d'onda generata da un processo di miscelazione a quattro onde. Abbiamo immesso una luce di pompaggio a onda continua a 1550,0 nm e una luce di segnale a 1550,6 nm in una guida d'onda lunga 12 mm. Come mostrato in Figura 2 (b), l'intensità del segnale luminoso a fase coniugata (idler) è aumentata con l'aumentare della potenza in ingresso. Il riquadro in Figura 2 (b) mostra lo spettro di uscita tipico della miscelazione a quattro onde. Dalla relazione tra potenza in ingresso ed efficienza di conversione, abbiamo stimato che il parametro non lineare (γ) fosse pari a circa 11 W^-1m.
Figura 3.(a) Immagine al microscopio del risonatore ad anello fabbricato. (b) Spettri di trasmissione del risonatore ad anello con vari parametri di gap. (c) Spettro di trasmissione misurato e adattato secondo Lorentz del risonatore ad anello con un gap di 1000 nm.
Successivamente, abbiamo realizzato un risonatore ad anello LToI e ne abbiamo valutato le caratteristiche. La Figura 3 (a) mostra l'immagine al microscopio ottico del risonatore ad anello realizzato. Il risonatore ad anello presenta una configurazione "a pista", costituita da una regione curva con un raggio di 100 µm e una regione rettilinea di 100 µm di lunghezza. La larghezza del gap tra l'anello e il nucleo della guida d'onda del bus varia con incrementi di 200 nm, in particolare a 800, 1000 e 1200 nm. La Figura 3 (b) mostra gli spettri di trasmissione per ciascun gap, indicando che il rapporto di estinzione varia con la dimensione del gap. Da questi spettri, abbiamo determinato che il gap a 1000 nm fornisce condizioni di accoppiamento quasi critiche, poiché presenta il rapporto di estinzione più elevato, pari a -26 dB.
Utilizzando il risonatore ad accoppiamento critico, abbiamo stimato il fattore di qualità (fattore Q) adattando lo spettro di trasmissione lineare con una curva lorentziana, ottenendo un fattore Q interno di 1,1 milioni, come mostrato in Figura 3 (c). A nostra conoscenza, questa è la prima dimostrazione di un risonatore ad anello LToI accoppiato in guida d'onda. In particolare, il valore del fattore Q che abbiamo ottenuto è significativamente superiore a quello dei risonatori a microdisco LToI accoppiati in fibra [9].
Conclusione:Abbiamo sviluppato una guida d'onda LToI con una perdita di 0,28 dB/cm a 1550 nm e un fattore di merito del risonatore ad anello di 1,1 milioni. Le prestazioni ottenute sono paragonabili a quelle delle guide d'onda LNoI a bassa perdita allo stato dell'arte. Inoltre, abbiamo studiato la non linearità χ(3) della guida d'onda LToI prodotta per applicazioni non lineari on-chip.
Data di pubblicazione: 20-11-2024