Astratto:Abbiamo sviluppato una guida d'onda al tantalato di litio basata su 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 ultraveloci modulatori e fotonica non lineare integrata [1-3]. Oltre all'LN, anche il tantalato di litio (LT) è stato studiato come materiale fotonico non lineare. Rispetto a LN, LT ha 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 di LN [6, 7]. Pertanto, LToI si distingue come un altro materiale candidato forte per applicazioni fotoniche non lineari ad alta potenza ottica. Inoltre, LToI sta diventando un materiale primario per i dispositivi di filtro delle onde acustiche superficiali (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 microdischi [8] e gli sfasatori elettro-ottici [9]. In questo articolo presentiamo una guida d'onda LToI a basse perdite e la sua applicazione in un risonatore ad anello. Inoltre, forniamo le caratteristiche non lineari χ(3) della guida d'onda LToI.
Punti chiave:
• Offerta di wafer LToI da 4 pollici 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 tecnologia interna 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 di elevata purezza per circuiti integrati fotonici di carburo di silicio.
• LTOI: un forte concorrente dei wafer al tantalato di litio a film sottile e al niobato di litio.
• LNOI: LNOI da 8 pollici che supporta la produzione di massa di prodotti a base di niobato di litio a film sottile su larga scala.
Produzione di 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 di 3 µm di spessore, utilizzando un processo di taglio intelligente. La Figura 1 (a) mostra una vista dall'alto del wafer LToI, con lo spessore dello strato LT superiore di 200 nm. Abbiamo valutato la rugosità superficiale dello strato superiore LT 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 della modalità TE fondamentale calcolato e (f) Immagine SEM del nucleo della guida d'onda LToI prima della deposizione dello strato superiore di SiO2. Come mostrato nella 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 superiore LT utilizzando la microscopia a forza di risposta piezoelettrica (PFM), come illustrato nella Figura 1 (c). Abbiamo confermato che la polarizzazione uniforme è stata mantenuta anche dopo il processo di bonding.
Utilizzando questo substrato LToI, abbiamo fabbricato la guida d'onda come segue. Innanzitutto è stato depositato uno strato di maschera metallica per il successivo attacco a secco dell'LT. Quindi, è stata eseguita la litografia a fascio di elettroni (EB) per definire il modello del nucleo della guida d'onda sopra lo strato di maschera metallica. Successivamente, abbiamo trasferito il modello di resistenza EB allo strato di maschera metallica tramite incisione a secco. Successivamente, il nucleo della guida d'onda LToI è stato formato utilizzando l'attacco al plasma con risonanza ciclotronica elettronica (ECR). Infine, lo strato della maschera metallica è stato rimosso attraverso un processo a umido ed è stato depositato uno strato superiore di SiO2 utilizzando la deposizione chimica in fase vapore potenziata dal 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 200 nm, 100 nm e 1000 nm. Si noti che la larghezza del nucleo si espande fino a 3 µm sul bordo della guida d'onda per l'accoppiamento della fibra ottica.
La Figura 1 (e) mostra la distribuzione dell'intensità ottica calcolata della modalità elettrica 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 superiore di SiO2.
Caratteristiche della guida d'onda:Per prima cosa abbiamo valutato le caratteristiche di perdita lineare immettendo luce polarizzata TE da una sorgente di emissione spontanea amplificata con lunghezza d'onda di 1550 nm in guide d'onda LToI di varie lunghezze. La perdita di propagazione è stata ottenuta dalla pendenza del rapporto tra la lunghezza della guida d'onda e la 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 nella Figura 2 (a). Le guide d'onda LToI fabbricate hanno mostrato prestazioni a bassa perdita paragonabili alle guide d'onda LNoI all'avanguardia [10].
Successivamente, abbiamo valutato la non linearità χ(3) attraverso la conversione della lunghezza d'onda generata da un processo di miscelazione a quattro onde. Inseriamo una luce di pompa 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 nella Figura 2 (b), l'intensità del segnale dell'onda luminosa di fase coniugata (folle) aumenta con l'aumentare della potenza in ingresso. L'inserto nella Figura 2 (b) mostra il tipico spettro di uscita del missaggio a quattro onde. Dalla relazione tra potenza in ingresso ed efficienza di conversione, abbiamo stimato che il parametro non lineare (γ) sia di 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 da Lorentziano del risonatore ad anello con un intervallo di 1000 nm.
Successivamente, abbiamo fabbricato un risonatore ad anello LToI e valutato le sue caratteristiche. La Figura 3 (a) mostra l'immagine al microscopio ottico del risonatore ad anello fabbricato. Il risonatore ad anello presenta una configurazione "a pista", costituita da una regione curva con un raggio di 100 µm e una regione diritta di 100 µm di lunghezza. La larghezza dello spazio 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 cambia con la dimensione del gap. Da questi spettri, abbiamo determinato che il gap di 1000 nm fornisce condizioni di accoppiamento quasi critiche, poiché presenta il più alto rapporto di estinzione di -26 dB.
Utilizzando il risonatore accoppiato criticamente, 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 nella Figura 3 (c). Per quanto ne sappiamo, questa è la prima dimostrazione di un risonatore ad anello LToI accoppiato a 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 Q del risonatore ad anello di 1,1 milioni. Le prestazioni ottenute sono paragonabili a quelle delle guide d'onda LNoI a bassa perdita di ultima generazione. Inoltre, abbiamo studiato la non linearità χ(3) della guida d'onda LToI prodotta per applicazioni non lineari su chip.
Orario di pubblicazione: 20 novembre 2024