4 pollici 6 pollici wafer di tantalato di litio PIC-- Litio tantalato conduttore d'onda su isolante a bassa perdita per fotonica non lineare su chip
Riassunto: Abbiamo sviluppato una guida d'onda al tantalato di litio su un isolante a 1550 nm con una perdita di 0,28 dB/cm e un fattore di qualità del risonatore toroidale di 1,1 milioni.L'applicazione della nonlinearità nella fotonica non lineare è studiata.
1- Presentazione.
Waveguide technology based on lithium niobate insulators (LNoI) has made great progress in the field of ultra-high speed modulators and on-chip nonlinear photonics due to their favorable χ(2) and χ(3) nonlinear properties and the strong optical limiting effect generated by the "on-insulator" structure [1-3]Oltre al LN, il tantalato di litio (LT) è stato anche studiato come materiale fotonico non lineare.LT ha una soglia di danno ottico più elevata e una finestra otticamente trasparente più ampia [4, 5], anche se i suoi parametri ottici sono simili a quelli di LN, come l'indice di rifrazione e il coefficiente non lineare [6,7].LToI è quindi un altro materiale forte candidato per applicazioni fotoniche non lineari ad alta potenza otticaInoltre, LToI sta emergendo come un importante materiale per parti di filtri per onde acustiche di superficie (SAW) per applicazioni mobili e wireless ad alta velocità.I chip LToI possono diventare un materiale più comune per le applicazioni fotonicheTuttavia, solo pochi dispositivi fotonici basati su LTOI sono stati segnalati fino ad oggi, come i risonatori a microdisco [8] e gli spostatori di fase elettro-ottici [9].Introduciamo una guida d'onda a bassa perdita LToI e la sua applicazione in risonatori ad anello. Inoltre, è fornita la nonlinearità χ(3) della guida d'onda LToI.
Punti salienti
Fornire 4 "-6"LTOIWafer, wafer a pellicola sottile di tantalato di litio, spessore superiore di 100 nm-1500 nm, tecnologia domestica, processo maturo
altri prodotti;
LTOIIl più potente concorrente del niobato di litio, i wafer a pellicola sottile di tantalato di litio
LNOIIl LNOI da 8 pollici supporta la produzione di massa di pellicole sottili di niobato di litio su scala più ampia
Fabbricazione su guide d'onda isolanti
In questo studio, abbiamo usato wafer LTOI da 4 pollici.Lo strato LT superiore è un substrato LT a taglio Y rotativo a 42° per dispositivi SAW che si lega direttamente a un substrato Si con uno strato di ossido termico di 3 μm di spessore e esegue un processo di taglio intelligenteLa figura 1 (a) mostra la vista superiore del wafer LToI, dove lo strato LT superiore ha uno spessore 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 superiore dello strato LT, (c) immagine PFM della superficie superiore dello strato LT, (d) sezione trasversale schematica della guida d'onda LToI,e) schema calcolato della modalità di base di TE, e (f) immagine SEM del nucleo di guida d'onda LToI prima della deposizione del rivestimento SiO2.
Come illustrato nella figura 1 (b), la rugosità superficiale è inferiore a 1 nm e non si osservano linee di graffi.Abbiamo esaminato la polarizzazione dello strato LT superiore utilizzando un microscopio di forza di risposta piezoelettrica (PFM)Anche dopo il processo di legame, abbiamo confermato che la polarizzazione uniforme è stata mantenuta.
Utilizzando ilLTOIIn primo luogo, deponiamo uno strato di maschera metallica per la successiva incisione a secco LT.Quindi eseguiamo litografia a fascio elettronico (EB) per definire il modello del nucleo di guida d'onda sulla parte superiore dello strato di maschera metallicaSuccessivamente, abbiamo trasferito il modello di resistenza EB allo strato della maschera metallica tramite incisione a secco.Abbiamo rimosso lo strato di maschera metallica con un processo umido e depositato lo strato di copertura di SiO2 con deposizione di vapore chimico potenziato dal plasmaLa 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, 100 e 1000 nm.Si noti che per facilitare l'accoppiamento delle fibreLa figura 1 (e) mostra la distribuzione calcolata dell'intensità dell'onda luminosa per la modalità di campo elettrico trasversale (TE) di base a 1550 nm.La figura 1 (f) mostra un'immagine del nucleo della condotta d'onda LToI con microscopio elettronico di scansione (SEM) prima della deposizione del rivestimento SiO2..
Caratteristica della guida d'onda
In primo luogo, si valutano le proprietà di perdita lineare alimentando la luce polarizzata TE da una fonte luminosa auto-emissiva amplificata a 1550 nm in guide d'onda LToI con lunghezze variabili.La perdita di propagazione è ottenuta dalla pendenza della relazione tra la lunghezza della guida d'onda e la trasmittanza di ciascuna lunghezza d'ondaLe perdite di propagazione misurate sono pari a 0.32, 0,28 e 0,26 dB/cm rispettivamente a 1530, 1550 e 1570 nm, come illustrato nella figura 2 a).Le guide d'onda LToI fabbricate presentano prestazioni di perdita relativamente basse simili alle guide d'onda LNOI più avanzate [10].
Evaluiamo poi la nonlinearità χ(3) attraverso la conversione della lunghezza d'onda generata dal processo di miscelazione a quattro onde.
Abbiamo alimentato un'onda luminosa di 1550,0 nm di pompa a onde continue e un'onda luminosa di 1550,6 nm di segnale in una guida d'onda di 12 mm di lunghezza.l'intensità del segnale di onda luminosa coniugata in fase (inattivo) aumenta con l'aumento della potenza di ingressoL'illustrazione della figura 2 (b) mostra uno spettro tipico di uscita per la miscelazione a quattro onde.possiamo stimare il parametro non lineare (γ) di circa 11 W-1m
Figura 3. a) Immagine al microscopio del risonatore ad anello fabbricato. b) Spettro di trasmissione di un risonatore ad anello con vari parametri di interruzione.(c) Misure di un risonatore ad anello con un intervallo di 1000 nm e spettri di trasmissione Lorentziani
Applicabile a risonatori ad anello
In seguito, abbiamo fabbricato un risonatore ad anello LTOI e ne abbiamo valutato le caratteristiche.Il risonatore ad anello ha una configurazione di "pista" costituita da un'area curva con un raggio di 100 μm e da un'area retta con una lunghezza di 100 μmLa larghezza dell'intervallo tra l'anello e il nucleo di guida d'onda del bus varia in incrementi di 200 nm, cioè 800, 1000 e 1200 nm. La figura 3 (b) mostra lo spettro di trasmissione per ciascun intervallo,mostrando che il rapporto di estinzione varia con il divarioDa questi spettri, abbiamo determinato che il gap di 1000 nm fornisce condizioni di accoppiamento quasi critiche, poiché ha un rapporto di estinzione massimo di -26 dB.Si stima il fattore di qualità (fattore Q) adattando lo spettro di trasmissione lineare attraverso Lorentziano, e ottenere un fattore Q interno di 1,1 milioni, come mostrato nella figura 3 (c).il valore del fattore Q ottenuto è molto superiore a quello del risonatore a microdisco LToI accoppiato a fibra [9]
Conclusioni
Abbiamo sviluppato una guida d'onda LTOI con una perdita di 0,28 dB/cm a 1550 nm e un valore Q del risonatore ad anello di 1,1 milioni.
Le prestazioni ottenute sono paragonabili a quelle delle più avanzate guide d'onda a bassa perdita LNoI.La non linearità delle guide d'onda LTOI fabbricate in applicazioni non lineari su chip è anche studiata..
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