Abstrak:Kita wis ngembangake waveguide lithium tantalate berbasis insulator 1550 nm kanthi kerugian 0,28 dB/cm lan faktor kualitas resonator cincin 1,1 yuta. Aplikasi nonlinieritas χ(3) ing fotonik nonlinier wis ditliti. Kauntungan lithium niobate ing insulator (LNoI), sing nuduhake sifat nonlinier χ(2) lan χ(3) sing apik banget bebarengan karo kurungan optik sing kuwat amarga struktur "insulator-on", wis nyebabake kemajuan sing signifikan ing teknologi waveguide kanggo modulator ultrafast lan fotonik nonlinier terintegrasi [1-3]. Saliyane LN, lithium tantalate (LT) uga wis ditliti minangka bahan fotonik nonlinier. Dibandhingake karo LN, LT duwe ambang kerusakan optik sing luwih dhuwur lan jendela transparansi optik sing luwih amba [4, 5], sanajan parameter optik, kayata indeks bias lan koefisien nonlinier, padha karo LN [6, 7]. Dadi, LToI misuwur minangka bahan kandidat liyane sing kuwat kanggo aplikasi fotonik nonlinier daya optik dhuwur. Kajaba iku, LToI dadi bahan utama kanggo piranti filter gelombang akustik permukaan (SAW), sing bisa ditrapake ing teknologi seluler lan nirkabel kecepatan tinggi. Ing konteks iki, wafer LToI bisa uga dadi bahan sing luwih umum kanggo aplikasi fotonik. Nanging, nganti saiki, mung sawetara piranti fotonik adhedhasar LToI sing wis dilaporake, kayata resonator microdisk [8] lan pengubah fase elektro-optik [9]. Ing makalah iki, kita nampilake waveguide LToI kanthi kerugian rendah lan aplikasine ing resonator cincin. Kajaba iku, kita nyedhiyakake karakteristik nonlinier χ(3) saka waveguide LToI.
Poin Penting:
• Nawakake wafer LToI 4 inci nganti 6 inci, wafer lithium tantalate film tipis, kanthi kekandelan lapisan ndhuwur wiwit saka 100 nm nganti 1500 nm, nggunakake teknologi domestik lan proses sing wis diwasa.
• SINOI: Wafer film tipis silikon nitrida kanthi kerugian ultra-rendah.
• SICOI: Substrat film tipis silikon karbida semi-isolasi kemurnian tinggi kanggo sirkuit terpadu fotonik silikon karbida.
• LTOI: Pesaing kuwat kanggo wafer lithium niobate, wafer lithium tantalate film tipis.
• LNOI: LNOI 8 inci sing ndhukung produksi massal produk lithium niobate film tipis skala luwih gedhe.
Manufaktur nganggo Waveguides Insulator:Ing panliten iki, kita nggunakake wafer LToI 4 inci. Lapisan LT ndhuwur minangka substrat LT potong-Y sing diputer 42° komersial kanggo piranti SAW, sing langsung diikat menyang substrat Si kanthi lapisan oksida termal kandel 3 µm, nggunakake proses pemotongan cerdas. Gambar 1(a) nuduhake tampilan ndhuwur wafer LToI, kanthi kekandelan lapisan LT ndhuwur 200 nm. Kita ngevaluasi kekasaran permukaan lapisan LT ndhuwur nggunakake mikroskop gaya atom (AFM).
Gambar 1.(a) Tampilan ndhuwur wafer LToI, (b) Gambar AFM saka permukaan lapisan LT ndhuwur, (c) Gambar PFM saka permukaan lapisan LT ndhuwur, (d) Penampang skematis saka pandu gelombang LToI, (e) Profil mode TE dhasar sing diitung, lan (f) Gambar SEM saka inti pandu gelombang LToI sadurunge deposisi lapisan ndhuwur SiO2. Kaya sing dituduhake ing Gambar 1 (b), kekasaran permukaan kurang saka 1 nm, lan ora ana garis goresan sing diamati. Kajaba iku, kita mriksa kahanan polarisasi lapisan LT ndhuwur nggunakake mikroskop gaya respon piezoelektrik (PFM), kaya sing digambarake ing Gambar 1 (c). Kita ngonfirmasi manawa polarisasi seragam tetep dijaga sanajan sawise proses ikatan.
Nggunakake substrat LToI iki, kita nggawe waveguide kaya ing ngisor iki. Kapisan, lapisan topeng logam diendapkan kanggo etsa garing LT sabanjure. Banjur, litografi sinar elektron (EB) ditindakake kanggo nemtokake pola inti waveguide ing ndhuwur lapisan topeng logam. Sabanjure, kita mindhah pola resistensi EB menyang lapisan topeng logam liwat etsa garing. Sawise iku, inti waveguide LToI dibentuk nggunakake etsa plasma resonansi siklotron elektron (ECR). Pungkasan, lapisan topeng logam dicopot liwat proses teles, lan lapisan SiO2 diendapkan nggunakake deposisi uap kimia sing ditingkatake plasma. Gambar 1 (d) nuduhake penampang skematis saka waveguide LToI. Dhuwur inti total, dhuwur pelat, lan jembar inti yaiku 200 nm, 100 nm, lan 1000 nm. Elinga yen jembar inti ngembang nganti 3 µm ing pinggiran waveguide kanggo kopling serat optik.
Gambar 1 (e) nampilake distribusi intensitas optik sing diitung saka mode listrik transversal dhasar (TE) ing 1550 nm. Gambar 1 (f) nuduhake gambar mikroskop elektron pindai (SEM) saka inti pandu gelombang LToI sadurunge pengendapan lapisan ndhuwur SiO2.
Karakteristik Waveguide:Pisanan kita ngevaluasi karakteristik kerugian linier kanthi nglebokake cahya terpolarisasi TE saka sumber emisi spontan sing dikuatake dawa gelombang 1550 nm menyang pandu gelombang LToI kanthi macem-macem dawa. Kerugian propagasi dipikolehi saka kemiringan hubungan antarane dawa pandu gelombang lan transmisi ing saben dawa gelombang. Kerugian propagasi sing diukur yaiku 0,32, 0,28, lan 0,26 dB/cm ing 1530, 1550, lan 1570 nm, kaya sing dituduhake ing Gambar 2 (a). Pandu gelombang LToI sing digawe nuduhake kinerja kerugian rendah sing bisa dibandhingake karo pandu gelombang LNoI sing paling canggih [10].
Sabanjure, kita ngira-ira nonlinieritas χ(3) liwat konversi dawa gelombang sing diasilake dening proses pencampuran papat gelombang. Kita nglebokake lampu pompa gelombang terus-terusan ing 1550,0 nm lan lampu sinyal ing 1550,6 nm menyang pandu gelombang dawane 12 mm. Kaya sing dituduhake ing Gambar 2 (b), intensitas sinyal gelombang cahya fase-konjugat (idler) mundhak kanthi nambah daya input. Sisipan ing Gambar 2 (b) nuduhake spektrum output khas saka pencampuran papat gelombang. Saka hubungan antarane daya input lan efisiensi konversi, kita ngira-ngira parameter nonlinier (γ) kira-kira 11 W^-1m.
Gambar 3.(a) Gambar mikroskop saka resonator cincin sing digawe. (b) Spektrum transmisi resonator cincin kanthi macem-macem parameter celah. (c) Spektrum transmisi resonator cincin sing diukur lan dipasang Lorentzian kanthi celah 1000 nm.
Sabanjure, kita nggawe resonator cincin LToI lan ngevaluasi karakteristike. Gambar 3 (a) nuduhake gambar mikroskop optik saka resonator cincin sing digawe. Resonator cincin nduweni konfigurasi "arena pacuan kuda", sing kasusun saka wilayah mlengkung kanthi radius 100 µm lan wilayah lurus dawane 100 µm. Jembar celah antarane cincin lan inti pandu gelombang bus beda-beda kanthi kenaikan 200 nm, khusus ing 800, 1000, lan 1200 nm. Gambar 3 (b) nampilake spektrum transmisi kanggo saben celah, sing nuduhake yen rasio kepunahan owah karo ukuran celah. Saka spektrum kasebut, kita nemtokake yen celah 1000 nm nyedhiyakake kahanan kopling sing meh kritis, amarga nuduhake rasio kepunahan paling dhuwur -26 dB.
Nggunakake resonator sing digandheng kanthi kritis, kita ngira-ira faktor kualitas (faktor Q) kanthi nyesuaikan spektrum transmisi linier karo kurva Lorentzian, entuk faktor Q internal 1,1 yuta, kaya sing dituduhake ing Gambar 3 (c). Sakwruh kawruh kita, iki minangka demonstrasi pertama resonator cincin LToI sing digandheng nganggo pandu gelombang. Khususé, nilai faktor Q sing kita entuk luwih dhuwur tinimbang resonator microdisk LToI sing digandheng nganggo serat [9].
Dudutan:Kita ngembangake waveguide LToI kanthi kerugian 0,28 dB/cm ing 1550 nm lan faktor Q resonator cincin 1,1 yuta. Kinerja sing dipikolehi bisa dibandhingake karo waveguide LNoI kerugian rendah sing paling canggih. Kajaba iku, kita nyelidiki nonlinieritas χ(3) saka waveguide LToI sing diprodhuksi kanggo aplikasi nonlinier ing chip.
Wektu kiriman: 20-Nov-2024