Abstrak:Kita wis dikembangaké 1550 nm basis insulator lithium tantalate waveguide karo mundhut saka 0,28 dB / cm lan faktor kualitas resonator ring 1,1 yuta. Aplikasi χ(3) nonlinier ing fotonik nonlinier wis diteliti. Kaluwihan saka lithium niobate on insulator (LNoI), kang nuduhake banget χ(2) lan χ(3) sifat nonlinear bebarengan karo kurungan optik kuwat amarga struktur "insulator-on", wis mimpin kanggo kemajuan pinunjul ing teknologi waveguide kanggo ultrafast. modulator lan fotonik nonlinier terpadu [1-3]. Saliyane LN, lithium tantalate (LT) uga wis diselidiki minangka materi fotonik nonlinier. Dibandhingake karo LN, LT nduweni ambang karusakan optik sing luwih dhuwur lan jendela transparansi optik sing luwih akeh [4, 5], sanajan paramèter optiké, kayata indeks bias lan koefisien nonlinier, padha karo LN [6, 7]. Mangkono, LToI stands metu minangka bahan calon kuwat liyane kanggo daya optik dhuwur aplikasi fotonik nonlinear. Kajaba iku, LToI dadi bahan utama kanggo piranti panyaring gelombang akustik permukaan (SAW), sing ditrapake ing teknologi seluler lan nirkabel kanthi kacepetan dhuwur. Ing konteks iki, wafer LToI bisa dadi bahan sing luwih umum kanggo aplikasi fotonik. Nanging, nganti saiki, mung sawetara piranti fotonik adhedhasar LToI sing dilaporake, kayata resonator microdisk [8] lan shifter fase elektro-optik [9]. Ing makalah iki, kita nampilake Waveguide LToI sing kalah lan aplikasi ing resonator dering. Kajaba iku, kita nyedhiyakake karakteristik nonlinier χ(3) saka pandu gelombang LToI.
Titik utama:
• Nawakake wafer LToI 4-inch nganti 6-inch, wafer tantalate lithium film tipis, kanthi ketebalan lapisan ndhuwur saka 100 nm nganti 1500 nm, nggunakake teknologi domestik lan proses sing diwasa.
• SINOI: Ultra-low mundhut silikon nitrida film tipis wafers.
• SICOI: High-purity semi-insulating silikon carbide substrate film tipis kanggo silikon karbida photonic sirkuit terpadu.
• LTOI: Saingan kuwat kanggo lithium niobate, film tipis lithium tantalate wafer.
• LNOI: 8-inch LNOI ndhukung produksi massal produk film lancip lithium niobate luwih gedhe.
Manufaktur ing Insulator Waveguides:Ing panliten iki, kita nggunakake wafer LToI 4 inci. Lapisan LT ndhuwur minangka substrat LT 42 ° rotated Y-cut komersial kanggo piranti SAW, sing langsung diikat menyang substrat Si kanthi lapisan oksida termal sing kandel 3 µm, nggunakake proses pemotongan sing cerdas. Figure 1 (a) nuduhake tampilan ndhuwur wafer LToI, karo 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 permukaan lapisan LT ndhuwur, (c) Gambar PFM permukaan lapisan LT ndhuwur, (d) Bagean silang skematik saka pandu gelombang LToI, (e) Ngitung profil mode TE dhasar, lan (f) gambar SEM saka inti waveguide LToI sadurunge deposisi overlayer SiO2. Kaya sing dituduhake ing Gambar 1 (b), kekasaran permukaan kurang saka 1 nm, lan ora ana garis ngeruk. Kajaba iku, kita mriksa negara polarisasi lapisan LT ndhuwur nggunakake mikroskop gaya respon piezoelektrik (PFM), kaya sing digambarake ing Gambar 1 (c). Kita dikonfirmasi manawa polarisasi seragam dijaga sanajan sawise proses ikatan.
Nggunakake substrat LToI iki, kita nggawe waveguide kaya ing ngisor iki. Kaping pisanan, lapisan topeng logam disimpen kanggo etsa garing saka LT. Banjur, litografi sinar elektron (EB) ditindakake kanggo nemtokake pola inti pandu gelombang ing ndhuwur lapisan topeng logam. Sabanjure, kita nransfer pola tahan EB menyang lapisan topeng logam liwat etsa garing. Sawisé iku, inti pandu gelombang LToI dibentuk kanthi nggunakake etsa plasma elektron cyclotron resonance (ECR). Pungkasan, lapisan topeng logam dibusak liwat proses teles, lan overlayer SiO2 disimpen nggunakake deposisi uap kimia sing ditingkatake plasma. Gambar 1 (d) nuduhake bagean silang skematik saka pandu arah gelombang LToI. Dhuwur inti total, dhuwur piring, lan jembar inti yaiku 200 nm, 100 nm, lan 1000 nm. Elinga yen jembar inti nggedhekake nganti 3 µm ing pinggiran pandu gelombang kanggo kopling serat optik.
Gambar 1 (e) nampilake distribusi intensitas optik sing diitung saka mode transversal listrik (TE) dhasar ing 1550 nm. Figure 1 (f) nuduhake gambar mikroskop elektron scanning (SEM) saka inti Waveguide LToI sadurunge deposition saka overlayer SiO2.
Waveguide karakteristik:Kita pisanan ngevaluasi karakteristik mundhut linear kanthi nglebokake cahya terpolarisasi TE saka dawa gelombang 1550 nm sing digedhekake sumber emisi spontan menyang pandu gelombang LToI kanthi dawane beda-beda. Kerugian panyebaran dipikolehi saka kemiringan hubungan antarane dawa waveguide lan transmisi ing saben dawane 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). Waveguides LToI sing digawe nuduhake kinerja sing kalah karo pandu gelombang LNoI sing paling canggih [10].
Sabanjure, kita ngevaluasi nonlinearitas χ(3) liwat konversi dawa gelombang sing diasilake dening proses pencampuran papat gelombang. We input cahya pump gelombang terus ing 1550,0 nm lan lampu sinyal ing 1550,6 nm menyang 12 mm dawa waveguide. Minangka ditampilake ing Figure 2 (b), intensitas sinyal gelombang cahya fase-conjugate (idler) tambah kanthi nambah daya input. Inset ing Figure 2 (b) nuduhake spektrum output khas saka campuran papat gelombang. Saka hubungan antarane daya input lan efisiensi konversi, kita ngira parameter nonlinier (γ) kira-kira 11 W^-1m.
Gambar 3.(a) Gambar mikroskop saka resonator cincin sing digawe. (b) Spektrum transmisi saka resonator ring karo macem-macem paramèter longkangan. (c) Spektrum transmisi sing diukur lan dipasang Lorentzian saka resonator dering kanthi celah 1000 nm.
Sabanjure, kita nggawe resonator dering LToI lan ngevaluasi karakteristike. Figure 3 (a) nuduhake gambar mikroskop optik saka resonator ring fabricated. Resonator dering nduweni konfigurasi "pacuan pacuan", dumadi saka wilayah mlengkung kanthi radius 100 µm lan wilayah lurus dawane 100 µm. Jembaré longkangan antarane dering lan inti Waveguide bus beda-beda ing tambahan saka 200 nm, khusus ing 800, 1000, lan 1200 nm. Gambar 3 (b) nampilake spektrum transmisi kanggo saben longkangan, nuduhake yen rasio punah diganti karo ukuran longkangan. Saka spektrum kasebut, kita nemtokake manawa celah 1000 nm nyedhiyakake kahanan kopling sing meh kritis, amarga nuduhake rasio kepunahan paling dhuwur yaiku -26 dB.
Nggunakake resonator sing digandhengake kritis, kita ngira faktor kualitas (faktor Q) kanthi nyetel spektrum transmisi linear karo kurva Lorentzian, entuk faktor Q internal 1,1 yuta, kaya sing ditampilake ing Gambar 3 (c). Kanggo kawruh kita, iki minangka demonstrasi pisanan saka resonator dering LToI sing digabung karo waveguide. Utamane, nilai faktor Q sing digayuh luwih dhuwur tinimbang resonator mikrodisk LToI sing dipasangake serat [9].
Kesimpulan:Kita ngembangake pandu arah gelombang LToI kanthi mundhut 0,28 dB / cm ing 1550 nm lan faktor Q resonator ring 1,1 yuta. Kinerja sing dipikolehi bisa dibandhingake karo pandu gelombang LNoI sing kalah sithik. Kajaba iku, kita nyelidiki nonlinier χ(3) saka pandu gelombang LToI sing diprodhuksi kanggo aplikasi nonlinier on-chip.
Wektu kirim: Nov-20-2024