Abstracto:Hemos desarrollado una guía de onda de tantalato de litio sobre aislante de 1550 nm con una pérdida de 0,28 dB/cm y un factor de calidad del resonador de anillo de 1,1 millones. Se ha estudiado la aplicación de la no linealidad χ(3) en fotónica no lineal. Las ventajas del niobato de litio sobre aislante (LNoI), que presenta excelentes propiedades no lineales χ(2) y χ(3), junto con un fuerte confinamiento óptico debido a su estructura de "aislante sobre aislante", han propiciado avances significativos en la tecnología de guías de onda para moduladores ultrarrápidos y fotónica no lineal integrada [1-3]. Además del niobato de litio (LN), también se ha investigado el tantalato de litio (LT) como material fotónico no lineal. En comparación con el LN, el LT presenta un umbral de daño óptico más alto y una ventana de transparencia óptica más amplia [4, 5], si bien sus parámetros ópticos, como el índice de refracción y los coeficientes no lineales, son similares a los del LN [6, 7]. Por lo tanto, el LToI destaca como otro material prometedor para aplicaciones fotónicas no lineales de alta potencia óptica. Además, se está convirtiendo en un material fundamental para dispositivos de filtrado de ondas acústicas superficiales (SAW), aplicables en tecnologías móviles e inalámbricas de alta velocidad. En este contexto, las obleas de LToI podrían convertirse en materiales más comunes para aplicaciones fotónicas. Sin embargo, hasta la fecha, solo se han publicado unos pocos dispositivos fotónicos basados en LToI, como resonadores de microdisco [8] y moduladores de fase electroópticos [9]. En este artículo, presentamos una guía de onda de LToI de baja pérdida y su aplicación en un resonador de anillo. Adicionalmente, proporcionamos las características no lineales χ(3) de la guía de onda de LToI.
Puntos clave:
• Ofrecemos obleas LToI de 4 a 6 pulgadas, obleas de tantalato de litio de película delgada, con espesores de capa superior que van desde 100 nm hasta 1500 nm, utilizando tecnología nacional y procesos maduros.
• SINOI: Obleas de película delgada de nitruro de silicio de pérdidas ultrabajas.
• SICOI: Sustratos de película delgada de carburo de silicio semi-aislante de alta pureza para circuitos integrados fotónicos de carburo de silicio.
• LTOI: Un fuerte competidor del niobato de litio y las obleas de tantalato de litio de película delgada.
• LNOI: LNOI de 8 pulgadas que permite la producción en masa de productos de niobato de litio de película delgada a mayor escala.
Fabricación en guías de onda aislantes:En este estudio, utilizamos obleas LToI de 4 pulgadas. La capa LT superior es un sustrato LT comercial con corte en Y rotado 42° para dispositivos SAW, unido directamente a un sustrato de Si con una capa de óxido térmico de 3 µm de espesor mediante un proceso de corte inteligente. La figura 1(a) muestra una vista superior de la oblea LToI, con una capa LT superior de 200 nm de espesor. Evaluamos la rugosidad superficial de la capa LT superior mediante microscopía de fuerza atómica (AFM).
Figura 1.(a) Vista superior de la oblea LToI, (b) imagen AFM de la superficie de la capa LT superior, (c) imagen PFM de la superficie de la capa LT superior, (d) esquema de la sección transversal de la guía de onda LToI, (e) perfil calculado del modo TE fundamental y (f) imagen SEM del núcleo de la guía de onda LToI antes de la deposición de la sobrecapa de SiO₂. Como se muestra en la figura 1 (b), la rugosidad superficial es inferior a 1 nm y no se observaron líneas de rayado. Además, examinamos el estado de polarización de la capa LT superior mediante microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica (PFM), como se muestra en la figura 1 (c). Confirmamos que la polarización uniforme se mantuvo incluso después del proceso de unión.
Utilizando este sustrato LToI, fabricamos la guía de onda del siguiente modo. Primero, se depositó una capa de máscara metálica para el posterior grabado en seco del sustrato LT. A continuación, se realizó litografía por haz de electrones (EB) para definir el patrón del núcleo de la guía de onda sobre la capa de máscara metálica. Posteriormente, transferimos el patrón de la resina EB a la capa de máscara metálica mediante grabado en seco. Después, se formó el núcleo de la guía de onda LToI mediante grabado por plasma de resonancia ciclotrónica de electrones (ECR). Finalmente, se eliminó la capa de máscara metálica mediante un proceso húmedo y se depositó una sobrecapa de SiO₂ mediante deposición química de vapor mejorada por plasma (PECVD). La figura 1(d) muestra el esquema de la sección transversal de la guía de onda LToI. La altura total del núcleo, la altura de placa y el ancho del núcleo son de 200 nm, 100 nm y 1000 nm, respectivamente. Cabe destacar que el ancho del núcleo se expande hasta 3 µm en el borde de la guía de onda para el acoplamiento de fibra óptica.
La figura 1 (e) muestra la distribución de intensidad óptica calculada del modo transversal eléctrico (TE) fundamental a 1550 nm. La figura 1 (f) muestra la imagen de microscopía electrónica de barrido (MEB) del núcleo de la guía de onda LToI antes de la deposición de la sobrecapa de SiO2.
Características de la guía de ondas:En primer lugar, evaluamos las características de pérdida lineal haciendo incidir luz polarizada TE proveniente de una fuente de emisión espontánea amplificada de 1550 nm en guías de onda LToI de diferentes longitudes. La pérdida de propagación se obtuvo a partir de la pendiente de la relación entre la longitud de la guía de onda y la transmisión a cada longitud de onda. Las pérdidas de propagación medidas fueron de 0,32, 0,28 y 0,26 dB/cm a 1530, 1550 y 1570 nm, respectivamente, como se muestra en la Figura 2 (a). Las guías de onda LToI fabricadas presentaron un rendimiento de baja pérdida comparable al de las guías de onda LNoI de última generación [10].
A continuación, evaluamos la no linealidad χ(3) mediante la conversión de longitud de onda generada por un proceso de mezcla de cuatro ondas. Introdujimos una luz de bombeo de onda continua a 1550,0 nm y una luz de señal a 1550,6 nm en una guía de onda de 12 mm de longitud. Como se muestra en la figura 2(b), la intensidad de la señal de la onda de luz conjugada en fase (onda de referencia) aumentó con la potencia de entrada. El recuadro de la figura 2(b) muestra el espectro de salida típico de la mezcla de cuatro ondas. A partir de la relación entre la potencia de entrada y la eficiencia de conversión, estimamos que el parámetro no lineal (γ) es aproximadamente 11 W⁻¹m.
Figura 3.(a) Imagen de microscopio del resonador de anillo fabricado. (b) Espectros de transmisión del resonador de anillo con diferentes parámetros de separación. (c) Espectro de transmisión medido y ajustado mediante una función lorentziana del resonador de anillo con una separación de 1000 nm.
A continuación, fabricamos un resonador de anillo LToI y evaluamos sus características. La figura 3(a) muestra la imagen de microscopía óptica del resonador de anillo fabricado. Este resonador presenta una configuración en forma de pista de carreras, que consta de una región curva con un radio de 100 µm y una región recta de 100 µm de longitud. El ancho del espacio entre el anillo y el núcleo de la guía de onda varía en incrementos de 200 nm, concretamente a 800, 1000 y 1200 nm. La figura 3(b) muestra los espectros de transmisión para cada espacio, lo que indica que la relación de extinción cambia con el tamaño del espacio. A partir de estos espectros, determinamos que el espacio de 1000 nm proporciona condiciones de acoplamiento casi críticas, ya que presenta la mayor relación de extinción, de -26 dB.
Utilizando el resonador de acoplamiento crítico, estimamos el factor de calidad (factor Q) ajustando el espectro de transmisión lineal a una curva lorentziana, obteniendo un factor Q interno de 1,1 millones, como se muestra en la Figura 3 (c). Hasta donde sabemos, esta es la primera demostración de un resonador de anillo LToI acoplado a una guía de ondas. Cabe destacar que el valor del factor Q que logramos es significativamente mayor que el de los resonadores de microdisco LToI acoplados a fibra [9].
Conclusión:Desarrollamos una guía de onda LToI con una pérdida de 0,28 dB/cm a 1550 nm y un factor Q de resonador de anillo de 1,1 millones. El rendimiento obtenido es comparable al de las guías de onda LNoI de baja pérdida más avanzadas. Además, investigamos la no linealidad χ(3) de la guía de onda LToI fabricada para aplicaciones no lineales en chip.
Fecha de publicación: 20 de noviembre de 2024