4 Zoll 6 Zoll Lithium-Tantalat-Wafer-PIC-- Lithium-Tantalat-Wellenführer auf Low-Loss-Isolator für nichtlineare Photonik auf dem Chip
Zusammenfassung: Wir haben einen Lithium-Tantalat-Wellenführer auf einem 1550 nm-Isolator mit einem Verlust von 0,28 dB/cm und einem Toroidalresonator-Qualitätsfaktor von 1,1 Millionen entwickelt.Die Anwendung von χ(3) Nichtlinearität in der nichtlinearen Photonik wird untersucht.
1- Einführung.
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]Zusätzlich zu LN wurde auch Lithium-Tantalat (LT) als nichtlineares photonisches Material untersucht.LT hat eine höhere optische Schadensschwelle und ein breiteres optisch transparentes Fenster [4, 5], obwohl seine optischen Parameter denen von LN ähneln, wie z. B. Brechungsindex und nichtlinearer Koeffizient [6,7].LToI ist daher ein weiterer starker Materialkandidat für nichtlineare Photonikanwendungen mit hoher optischer LeistungDarüber hinaus entwickelt sich LToI zu einem wichtigen Material für Filterteile für Oberflächenakustische Wellen (SAW) für Hochgeschwindigkeitsmobile und drahtlose Anwendungen.LToI-Chips könnten ein häufiger verbreitetes Material für fotonische Anwendungen werdenEs wurden jedoch nur wenige LTOI-basierte photonische Geräte berichtet, wie z. B. Mikrodiskresonatoren [8] und elektrooptische Phasenwandler [9].Wir führen einen LToI-Wellenführer mit geringem Verlust ein und seine Anwendung in Ringresonatoren. Darüber hinaus wird die χ(3) Nichtlinearität des LToI-Wellenleiters angegeben.
Ausgesucht
Gibt 4 "-6"LTOIWafer, dünnschichtige Lithium-Tantalat-Wafer, oberste Dicke von 100nm-1500nm, inländische Technologie, ausgereifter Prozess
andere Erzeugnisse;
LTOIDer stärkste Konkurrent von Lithiumniobat sind dünnschichtige Lithiumtantalatwafern.
LNOIDie 8-Zoll-LNOI unterstützt die Massenproduktion von Lithiumniobat-Dünnfolien in größerer Skala.
LT Herstellung von Wellenleitungen für Isolatoren
In dieser Studie haben wir 4-Zoll-LTOI-Wafer verwendet.Die oberste LT-Schicht ist ein kommerzielles 42°-rotatives Y-Schnitt LT-Substrat für SAW-Geräte, das sich direkt mit einer 3 μm dicken Wärmeoxid-Schicht an ein Si-Substrat bindet und einen intelligenten Schneidvorgang durchführtAbbildung 1a zeigt die oberste Ansicht der LToI-Wafer, wobei die oberste LT-Schicht eine Dicke von 200 nm aufweist.
Abbildung 1. (a) oberste Ansicht der LToI-Wafer, (b) AFM-Bild der obersten LT-Schichtoberfläche, (c) PFM-Bild der obersten LT-Schichtoberfläche, (d) schematischer Querschnitt des LToI-Wellenleiters,e) Berechnungen für den grundlegenden TE-Modus, und f) SEM-Bild des LToI-Wellenleitkerns vor SiO2-Beschichtungsablagerung.
Wie in Abbildung 1 (b) dargestellt, ist die Oberflächenrauheit weniger als 1 nm und es werden keine Kratzlinien beobachtet.Wir untersuchten die Polarisierung der oberen LT-Schicht mit einem piezoelektrischen Reaktionskraftmikroskop (PFM)Auch nach dem Bindungsprozess wurde bestätigt, dass die gleichmäßige Polarisierung erhalten blieb.
Mit derLTOIZunächst legen wir eine Metallmaske ab, um sie dann trocken zu ätschen.Wir führen dann Elektronenstrahl (EB) Lithographie, um das Wellenleitmodell Kernmuster auf der Oberseite der Metallmaske Schicht zu definierenAls nächstes übertragen wir das EB-Widerstandsmuster auf die Metallmaskenschicht durch Trockeneinschnitt. Danach wird der LToI-Wellenleitkern durch Elektronenzyklotronresonanz (ECR) Plasmainschnitt gebildet.Wir haben die Metallmaske durch einen nassen Prozess entfernt und die SiO2-Abdeckungsschicht durch plasmaverstärkte chemische Dampfdeposition abgelagertAbbildung 1 d) zeigt den schematischen Querschnitt des LToI-Wellenleiters.Es ist zu beachten, dass die Faserkopplung, wird die Kernbreite an der Wellenleitungskante auf 3 μm verlängert. Abbildung 1e zeigt die berechnete Verteilung der Lichtwellenintensität für den grundlegenden Querschnitts-Elektrfeld- (TE) -Modus bei 1550 nm.Abbildung 1 f) zeigt ein Scanning-Elektronenmikroskop (SEM) -Bild des LToI-Wellenleitkerns vor der Ablagerung der SiO2-Beschichtung.
Eigenschaft des Wellenleiters
Zunächst werden die linearen Verlust-Eigenschaften durch die Zufuhr von TE-polarisiertem Licht von einer verstärkten selbst emittierenden Lichtquelle bei 1550 nm in LToI-Wellenleitungen mit unterschiedlicher Länge bewertet.Der Ausbreitungsverlust wird aus der Neigung des Verhältnisses zwischen der Länge des Wellenleiters und der Übertragbarkeit jeder Wellenlänge ermittelt.Die gemessenen Ausbreitungsverluste sind 0.32, 0,28 und 0,26 dB/cm bei 1530, 1550 bzw. 1570 nm, wie in Abbildung 2 a dargestellt.Die hergestellten LToI-Wellenleitungen weisen vergleichsweise geringe Verlustleistung auf, ähnlich wie die fortschrittlichsten LNOI-Wellenleitungen [10].
Wir bewerten dann χ(3) die Nichtlinearität durch die Wellenlängenumwandlung, die durch den Vierwellenmischprozess erzeugt wird.
Wir fütterten eine 1550,0 nm kontinuierliche Wellenpumpe Lichtwelle und eine 1550,6 nm Signallichtwelle in eine 12 mm lange Wellenleiter.die Phase-konjugierte (Leerlauf-) Lichtwellensignalstärke steigt mit zunehmender EingangsleistungDie Abbildung in Abbildung 2b zeigt ein typisches Ausgangsspektrum für das Vierwellenmischen.Wir können den nichtlinearen Parameter (γ) auf etwa 11 W-1m schätzen.
Abbildung 3. a) Mikroskopbild des hergestellten Ringresonators. b) Übertragungsspektrum eines Ringresonators mit verschiedenen Spaltparametern.c) Messungen eines Ringresonators mit einer Lücke von 1000 nm und Lorentzian-Anpassung von Übertragungsspektren
mit einer Leistung von mehr als 50 W
Als nächstes wurden ein LTOI-Ringresonator hergestellt und seine Eigenschaften ausgewertet.Der Ringresonator hat eine "Runway"-Konfiguration, bestehend aus einer gebogenen Fläche mit einem Radius von 100 μm und einer geraden Fläche mit einer Länge von 100 μmDie Spaltbreite zwischen Ring und Bus-Wellenleitkern variiert in Schritten von 200 nm, d. h. 800, 1000 und 1200 nm. Abbildung 3 b) zeigt das Übertragungsspektrum für jede Spalt,Das zeigt, dass die Aussterbungsquote mit der Lücke variiertAus diesen Spektren haben wir festgestellt, dass die 1000-nm-Lücke fast kritische Kopplungsbedingungen bietet, da sie ein maximales Auslöschverhältnis von -26 dB aufweist.Wir schätzen den Qualitätsfaktor (Q-Faktor) durch Anpassung des linearen Übertragungsspektrums durch Lorentzian, und erhalten einen inneren Q-Faktor von 1,1 Millionen, wie in Abbildung 3 (c) gezeigt.der Q-Faktorwert, den wir erhalten haben, ist viel höher als der des fasergekoppelten LToI-Mikrodiskresonators [9]
Schlussfolgerung
Wir haben einen LTOI-Wellenführer mit einem Verlust von 0,28 dB/cm bei 1550 nm und einem Ringresonator Q-Wert von 1,1 Millionen entwickelt.
Die erreichte Leistung ist vergleichbar mit der der fortschrittlichsten LNoI-Wellenleitungen mit geringem Verlust.Die χ(3) Nichtlinearität der hergestellten LTOI-Wellenleitungen in nichtlinearen Anwendungen auf dem Chip wird ebenfalls untersucht..
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