Abstracto:Hemos desarrollado una guía de onda de tantalato de litio de 1550 nm basada en aislante, con una pérdida de 0,28 dB/cm y un factor de calidad del resonador en anillo de 1,1 millones. Se ha estudiado la aplicación de la no linealidad χ(3) en la 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 gracias a su estructura de "aislante sobre aislante", han impulsado avances significativos en la tecnología de guías de onda para moduladores ultrarrápidos y fotónica no lineal integrada [1-3]. Además del LN, el tantalato de litio (LT) también se ha investigado 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], aunque 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 se destaca como otro material candidato sólido para aplicaciones fotónicas no lineales de alta potencia óptica. Además, el LToI se está convirtiendo en un material principal para dispositivos de filtro 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 descrito unos pocos dispositivos fotónicos basados en LToI, como los resonadores de microdisco [8] y los desfasadores electroópticos [9]. En este artículo, presentamos una guía de onda LToI de bajas pérdidas y su aplicación en un resonador de anillo. Además, proporcionamos las características no lineales χ(3) de la guía de onda 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 varían de 100 nm a 1500 nm, utilizando tecnología nacional y procesos maduros.
• SINOI: Obleas de película delgada de nitruro de silicio con pérdida ultrabaja.
• SICOI: Sustratos de película delgada de carburo de silicio semiaislante 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 respalda la producción en masa de productos de niobato de litio de película delgada a mayor escala.
Fabricación de guías de ondas aislantes:En este estudio, utilizamos obleas LToI de 4 pulgadas. La capa superior de LT es un sustrato comercial de LT con corte en Y y rotación de 42° para dispositivos SAW, que se une 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 un espesor de la capa superior de LT de 200 nm. Se evaluó la rugosidad superficial de la capa superior de LT mediante microscopía de fuerza atómica (AFM).
Figura 1.(a) Vista superior de la oblea LToI, (b) Imagen AFM de la superficie de la capa superior de LT, (c) Imagen PFM de la superficie de la capa superior de LT, (d) Sección transversal esquemática de la guía de onda LToI, (e) Perfil del modo TE fundamental calculado, y (f) Imagen SEM del núcleo de la guía de onda LToI antes de la deposición de la capa 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 superior de LT 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 de la siguiente manera. Primero, se depositó una capa de máscara metálica para el posterior grabado en seco de la LT. A continuación, se realizó una litografía por haz de electrones (EB) para definir el patrón del núcleo de la guía de onda sobre la capa de máscara metálica. A continuación, transferimos el patrón de resistencia EB a la capa de máscara metálica mediante grabado en seco. Posteriormente, se formó el núcleo de la guía de onda LToI mediante grabado de plasma por resonancia ciclotrónica electrónica (ECR). Finalmente, se eliminó la capa de máscara metálica mediante un proceso húmedo y se depositó una sobrecapa de SiO₂ mediante deposición química en fase de vapor mejorada con plasma. La Figura 1 (d) muestra la sección transversal esquemática de la guía de onda LToI. La altura total del núcleo, la altura de la 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 a 3 µm en el borde de la guía de onda para el acoplamiento de la 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 de microscopio electrónico de barrido (MEB) 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 introduciendo luz polarizada TE desde una fuente de emisión espontánea amplificada con una longitud de onda 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 en 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 mostraron un rendimiento de baja pérdida comparable al de las guías de onda 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 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 luz conjugada en fase (inactiva) aumentó con el aumento de 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 de aproximadamente 11 W^-1 m.
Figura 3.(a) Imagen de microscopio 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 a Lorentz del resonador de anillo con un espacio de 1000 nm.
A continuación, fabricamos un resonador de anillo LToI y evaluamos sus características. La Figura 3 (a) muestra la imagen de microscopio óptico del resonador de anillo fabricado. El resonador de anillo presenta una configuración de "pista de carreras", compuesta por una región curva de 100 µm de radio y una región recta de 100 µm de longitud. El ancho del espacio entre el anillo y el núcleo de la guía de onda 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, indicando 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 relación 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 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 onda. Cabe destacar que el valor del factor Q obtenido 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 en anillo de 1,1 millones. El rendimiento obtenido es comparable al de las guías de onda LNoI de baja pérdida más modernas. Además, investigamos la no linealidad χ(3) de la guía de onda LToI fabricada para aplicaciones no lineales en chip.
Hora de publicación: 20 de noviembre de 2024