Santrauka:Sukūrėme 1550 nm bangos ilgio ličio tantalato bangolaidį izoliatoriaus pagrindu, kurio nuostoliai yra 0,28 dB/cm, o žiedinio rezonatoriaus kokybės koeficientas – 1,1 milijono. Buvo tirtas χ(3) netiesiškumo taikymas netiesinėje fotonikoje. Ličio niobato ant izoliatoriaus (LNoI), pasižyminčio puikiomis χ(2) ir χ(3) netiesinėmis savybėmis bei stipriu optiniu apribojimu dėl savo „izoliatoriaus ant“ struktūros, privalumai lėmė didelę bangolaidžių technologijos pažangą, skirtą itin greitiems moduliatoriams ir integruotai netiesinei fotonikai [1-3]. Be ličio niobato, ličio tantalatas (LT) taip pat buvo tiriamas kaip netiesinė fotoninė medžiaga. Palyginti su ličio niobatu, LT turi aukštesnę optinio pažeidimo slenkstį ir platesnį optinio skaidrumo langą [4, 5], nors jo optiniai parametrai, tokie kaip lūžio rodiklis ir netiesiniai koeficientai, yra panašūs į ličio niobato [6, 7]. Taigi, LToI išsiskiria kaip dar viena stipri kandidatė į didelės optinės galios netiesinės fotonikos taikymus. Be to, LToI tampa pagrindine paviršinių akustinių bangų (PAB) filtrų įtaisų medžiaga, taikoma didelės spartos mobiliosiose ir belaidėse technologijose. Šiame kontekste LToI plokštelės gali tapti įprastesnėmis medžiagomis fotonikos taikymuose. Tačiau iki šiol buvo pranešta tik apie keletą fotoninių įtaisų, pagrįstų LToI, pavyzdžiui, mikrodiskų rezonatorius [8] ir elektrooptinius fazės keitiklius [9]. Šiame straipsnyje pristatome mažo nuostolio LToI bangolaidį ir jo pritaikymą žiediniame rezonatoriuje. Be to, pateikiame LToI bangolaidžio χ(3) netiesines charakteristikas.
Svarbiausi punktai:
• Siūlomos 4–6 colių LToI plokštelės, plonasluoksnės ličio tantalato plokštelės, kurių viršutinio sluoksnio storis svyruoja nuo 100 nm iki 1500 nm, naudojant vietines technologijas ir brandžius procesus.
• SINOI: Itin mažo nuostolio silicio nitrido plonasluoksnės plokštelės.
• SICOI: Didelio grynumo pusiau izoliuojantys silicio karbido plonasluoksniai pagrindai silicio karbido fotoniniams integriniams grandynams.
• LTOI: Stiprus ličio niobato, plonasluoksnių ličio tantalato plokštelių, konkurentas.
• LNOI: 8 colių LNOI, skirtas masinei didelio masto plonasluoksnių ličio niobato gaminių gamybai.
Gamyba ant izoliacinių bangolaidžių:Šiame tyrime naudojome 4 colių LToI plokšteles. Viršutinis LT sluoksnis yra komercinis 42° kampu pasuktas Y formos LT substratas, skirtas SAW įrenginiams, kuris yra tiesiogiai sujungtas su Si substratu 3 µm storio terminio oksido sluoksniu, naudojant išmanųjį pjovimo procesą. 1(a) paveiksle parodytas LToI plokštelės vaizdas iš viršaus, kai viršutinio LT sluoksnio storis yra 200 nm. Viršutinio LT sluoksnio paviršiaus šiurkštumą įvertinome naudodami atominės jėgos mikroskopiją (AFM).
1 pav.(a) LToI plokštelės vaizdas iš viršaus, (b) viršutinio LT sluoksnio paviršiaus AFM vaizdas, (c) viršutinio LT sluoksnio paviršiaus PFM vaizdas, (d) LToI bangolaidžio scheminis skerspjūvis, (e) apskaičiuotas pagrindinio TE režimo profilis ir (f) LToI bangolaidžio šerdies SEM vaizdas prieš SiO2 sluoksnio nusodinimą. Kaip parodyta 1 paveiksle (b), paviršiaus šiurkštumas yra mažesnis nei 1 nm, o įbrėžimų linijų nepastebėta. Be to, viršutinio LT sluoksnio poliarizacijos būseną ištyrėme pjezoelektrinės atsako jėgos mikroskopija (PFM), kaip parodyta 1 paveiksle (c). Patvirtinome, kad net ir po sujungimo proceso išliko vienoda poliarizacija.
Naudodami šį LToI substratą, pagaminome bangolaidį taip. Pirmiausia buvo uždėtas metalinės kaukės sluoksnis, skirtas vėlesniam LT sausam ėsdinimui. Tada atlikta elektronų pluošto (EB) litografija, siekiant apibrėžti bangolaidžio šerdies raštą ant metalinės kaukės sluoksnio. Toliau EB rezisto raštą perkėlėme ant metalinės kaukės sluoksnio sauso ėsdinimo būdu. Vėliau LToI bangolaidžio šerdis buvo suformuota naudojant elektronų ciklotrono rezonanso (ECR) plazminį ėsdinimą. Galiausiai metalinės kaukės sluoksnis buvo pašalintas šlapiuoju būdu, o SiO2 viršutinis sluoksnis buvo uždėtas naudojant plazmos sustiprintą cheminį garų nusodinimą. 1 (d) paveiksle parodyta LToI bangolaidžio scheminė skerspjūvio schema. Bendras šerdies aukštis, plokštės aukštis ir šerdies plotis yra atitinkamai 200 nm, 100 nm ir 1000 nm. Atkreipkite dėmesį, kad šerdies plotis bangolaidžio krašte išsiplečia iki 3 µm optinio pluošto sujungimui.
1(e) paveiksle parodytas apskaičiuotas pagrindinio skersinio elektrinio (TE) modos optinio intensyvumo pasiskirstymas esant 1550 nm bangos ilgiui. 1(f) paveiksle parodytas LToI bangolaidžio šerdies vaizdas, gautas skenuojančiu elektroniniu mikroskopu (SEM) prieš SiO2 sluoksnio nusodinimą.
Bangolaidžio charakteristikos:Pirmiausia įvertinome linijinių nuostolių charakteristikas, įvesdami TE poliarizuotą šviesą iš 1550 nm bangos ilgio sustiprinto savaiminio spinduliavimo šaltinio į įvairaus ilgio LToI bangolaidžius. Sklidimo nuostoliai buvo gauti iš bangolaidžio ilgio ir pralaidumo kiekviename bangos ilgyje santykio nuolydžio. Išmatuoti sklidimo nuostoliai buvo 0,32, 0,28 ir 0,26 dB/cm atitinkamai esant 1530, 1550 ir 1570 nm bangos ilgiams, kaip parodyta 2 paveiksle (a). Pagaminti LToI bangolaidžiai pasižymėjo panašiu mažų nuostolių našumu kaip ir moderniausi LNoI bangolaidžiai [10].
Toliau, atlikdami keturių bangų maišymo proceso sukurtą bangos ilgio konversiją, įvertinome χ(3) netiesiškumą. Į 12 mm ilgio bangolaidį įvedėme 1550,0 nm bangos ilgio nepertraukiamos bangos kaupinimo šviesą ir 1550,6 nm bangos ilgio signalinę šviesą. Kaip parodyta 2 (b) paveiksle, fazės konjuguotos (tuščiosios eigos) šviesos bangos signalo intensyvumas didėjo didėjant įėjimo galiai. 2 (b) paveikslo įdėkle parodytas tipinis keturių bangų maišymo išėjimo spektras. Remdamiesi įėjimo galios ir konversijos efektyvumo ryšiu, apskaičiavome, kad netiesinis parametras (γ) yra maždaug 11 W^-1m².
3 pav.(a) Pagaminto žiedinio rezonatoriaus mikroskopo vaizdas. (b) Žiedo rezonatoriaus perdavimo spektrai su įvairiais tarpo parametrais. (c) Išmatuotas ir Lorentzo metodu pritaikytas žiedinio rezonatoriaus perdavimo spektras su 1000 nm tarpu.
Toliau pagaminome LToI žiedinį rezonatorių ir įvertinome jo charakteristikas. 3(a) paveiksle parodytas pagaminto žiedinio rezonatoriaus optinio mikroskopo vaizdas. Žiedinis rezonatorius pasižymi „lenktynių trasos“ konfigūracija, kurią sudaro išlenkta 100 µm spindulio sritis ir 100 µm ilgio tiesi sritis. Tarpo plotis tarp žiedo ir magistralinės bangolaidžio šerdies kinta 200 nm intervalais, konkrečiai esant 800, 1000 ir 1200 nm bangos ilgiui. 3(b) paveiksle pateikti kiekvieno tarpo perdavimo spektrai, rodantys, kad gesinimo santykis kinta priklausomai nuo tarpo dydžio. Iš šių spektrų nustatėme, kad 1000 nm tarpas užtikrina beveik kritines sujungimo sąlygas, nes pasižymi didžiausiu -26 dB gesinimo santykiu.
Naudodami kritiškai sujungtą rezonatorių, įvertinome kokybės koeficientą (Q koeficientą), pritaikydami tiesinį perdavimo spektrą Lorentzo kreivei ir gaudami 1,1 milijono vidinį Q koeficientą, kaip parodyta 3 (c) paveiksle. Mūsų žiniomis, tai yra pirmoji bangolaidžiu sujungto LToI žiedinio rezonatoriaus demonstracija. Pažymėtina, kad mūsų pasiekta Q koeficiento vertė yra žymiai didesnė nei šviesolaidžiu sujungtų LToI mikrodiskų rezonatorių [9].
Išvada:Sukūrėme LToI bangolaidį, kurio nuostoliai yra 0,28 dB/cm esant 1550 nm bangos ilgiui, o žiedinio rezonatoriaus Q koeficientas – 1,1 milijono. Gautos charakteristikos yra panašios į pažangiausių mažo nuostolio LNoI bangolaidžių. Be to, ištyrėme pagaminto LToI bangolaidžio χ(3) netiesiškumą, skirtą netiesinėms sistemoms lustuose.
Įrašo laikas: 2024 m. lapkričio 20 d.