Abstracto:Hemos desarrollado una guía de ondas de tantalato de litio basada en un 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 exhibe excelentes propiedades no lineales χ(2) y χ(3) junto con un fuerte confinamiento óptico debido a su estructura "aislante", han llevado a avances significativos en la tecnología de guías de ondas para dispositivos ultrarrápidos. Moduladores y fotónica no lineal integrada [1-3]. Además del LN, también se ha investigado el tantalato de litio (LT) como material fotónico no lineal. En comparación con LN, LT tiene un umbral de daño óptico más alto y una ventana de transparencia óptica más amplia [4, 5], aunque sus parámetros ópticos, como el índice de refracción y los coeficientes no lineales, son similares a los de LN [6, 7]. Por lo tanto, LToI se destaca como otro material candidato fuerte para aplicaciones fotónicas no lineales de alta potencia óptica. Además, LToI se está convirtiendo en un material principal para dispositivos de filtrado de ondas acústicas de superficie (SAW), aplicables en tecnologías móviles e inalámbricas de alta velocidad. En este contexto, las obleas LToI pueden convertirse en materiales más comunes para aplicaciones fotónicas. Sin embargo, hasta la fecha, sólo se han descrito unos pocos dispositivos fotónicos basados en LToI, como resonadores de microdiscos [8] y desfasadores electroópticos [9]. En este artículo, presentamos una guía de ondas LToI de baja pérdida y su aplicación en un resonador de anillo. Además, proporcionamos las características no lineales χ(3) de la guía de ondas LToI.
Puntos clave:
• Ofreciendo obleas LToI de 4 a 6 pulgadas, obleas de tantalato de litio de película delgada, con espesores de capa superior que varían de 100 nm a 1500 nm, utilizando tecnología nacional y procesos maduros.
• SINOI: Obleas de película fina de nitruro de silicio de pérdida ultrabaja.
• SICOI: Sustratos de película fina de carburo de silicio semiaislantes de alta pureza para circuitos integrados fotónicos de carburo de silicio.
• LTOI: Un fuerte competidor del niobato de litio, obleas de tantalato de litio de película delgada.
• LNOI: LNOI de 8 pulgadas que apoya la producción en masa de productos de niobato de litio de película delgada a mayor escala.
Fabricación sobre Guías de Ondas Aislantes:En este estudio, utilizamos obleas LToI de 4 pulgadas. La capa LT superior es un sustrato LT comercial con corte en Y girado 42° para dispositivos SAW, que se une directamente a un sustrato de Si con una capa de óxido térmico de 3 µm de espesor, empleando un proceso de corte inteligente. La Figura 1 (a) muestra una vista superior de la oblea LToI, con un espesor de capa LT superior de 200 nm. Evaluamos la rugosidad de la superficie 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) Sección transversal esquemática de la guía de ondas LToI, (e) Perfil del modo TE fundamental calculado y (f) Imagen SEM del núcleo de la guía de ondas LToI antes de la deposición de la capa superpuesta de SiO2. Como se muestra en la Figura 1 (b), la rugosidad de la superficie es inferior a 1 nm y no se observaron líneas de rayado. Además, examinamos el estado de polarización de la capa LT superior utilizando 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.
Usando este sustrato LToI, fabricamos la guía de ondas de la siguiente manera. Primero, se depositó una capa de máscara metálica para el posterior grabado en seco del LT. Luego, se realizó una litografía por haz de electrones (EB) para definir el patrón del núcleo de la guía de ondas sobre la capa de máscara de metal. A continuación, transferimos el patrón de resistencia EB a la capa de máscara de metal mediante grabado en seco. Posteriormente, se formó el núcleo de la guía de ondas LToI mediante grabado con plasma por resonancia de ciclotrón electrónico (ECR). Finalmente, la capa de máscara metálica se eliminó mediante un proceso húmedo y se depositó una capa superior de SiO2 mediante deposición química de vapor mejorada con plasma. La Figura 1 (d) muestra la sección transversal esquemática de la guía de ondas LToI. La altura total del núcleo, la altura de la placa y el ancho del núcleo son 200 nm, 100 nm y 1000 nm, respectivamente. Tenga en cuenta que el ancho del núcleo se expande a 3 m en el borde de la guía de ondas para el acoplamiento de fibra óptica.
La Figura 1 (e) muestra la distribución de intensidad óptica calculada del modo eléctrico transversal fundamental (TE) a 1550 nm. La Figura 1 (f) muestra la imagen del microscopio electrónico de barrido (SEM) del núcleo de la guía de ondas LToI antes de la deposición de la capa superior de SiO2.
Características de la guía de ondas:Primero evaluamos las características de pérdida lineal ingresando luz polarizada TE desde una fuente de emisión espontánea amplificada de longitud de onda de 1550 nm en guías de ondas 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 en cada longitud de onda. Las pérdidas de propagación medidas fueron 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 ondas LToI fabricadas exhibieron un rendimiento de baja pérdida comparable al de las guías de ondas LNoI de última generación [10].
A continuación, evaluamos la no linealidad de χ (3) mediante la conversión de longitud de onda generada por un proceso de mezcla de cuatro ondas. Introducimos una luz de bomba de onda continua a 1550,0 nm y una luz de señal a 1550,6 nm en una guía de ondas de 12 mm de largo. Como se muestra en la Figura 2 (b), la intensidad de la señal de la onda de luz conjugada en fase (inactiva) aumentó al aumentar 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 ^ -1 m.
Figura 3.(a) Imagen microscópica del resonador de anillo fabricado. (b) Espectros de transmisión del resonador de anillo con varios parámetros de espacio. (c) Espectro de transmisión medido y ajustado en Lorentzian 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 del microscopio óptico del resonador de anillo fabricado. El resonador de anillo presenta una configuración 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 ondas del bus varía en incrementos de 200 nm, específicamente a 800, 1000 y 1200 nm. La Figura 3 (b) muestra los espectros de transmisión para cada espacio, lo que indica que la tasa de extinción cambia con el tamaño del espacio. A partir de estos espectros, determinamos que la brecha de 1000 nm proporciona condiciones de acoplamiento casi críticas, ya que exhibe la tasa de extinción más alta de -26 dB.
Utilizando el resonador críticamente acoplado, estimamos el factor de calidad (factor Q) ajustando el espectro de transmisión lineal con una curva de Lorentz, 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 guía de ondas. En particular, 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 ondas 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 ondas LNoI de baja pérdida de última generación. Además, investigamos la no linealidad χ (3) de la guía de ondas LToI fabricada para aplicaciones no lineales en chip.
Hora de publicación: 20-nov-2024