Resumo:Desenvolvemos um guia de onda de tantalato de lítio baseado em isolador de 1550 nm com uma perda de 0,28 dB/cm e um fator de qualidade de ressonador de anel de 1,1 milhão. A aplicação da não linearidade χ (3) em fotônica não linear foi estudada. As vantagens do niobato de lítio no isolador (LNoI), que exibe excelentes propriedades não lineares χ(2) e χ(3), juntamente com forte confinamento óptico devido à sua estrutura "isolada", levaram a avanços significativos na tecnologia de guia de onda para ultra-rápidos moduladores e fotônica não linear integrada [1-3]. Além do LN, o tantalato de lítio (LT) também foi investigado como material fotônico não linear. Comparado ao LN, o LT possui um limiar de dano óptico mais alto e uma janela de transparência óptica mais ampla [4, 5], embora seus parâmetros ópticos, como índice de refração e coeficientes não lineares, sejam semelhantes aos do LN [6, 7]. Assim, o LToI se destaca como outro forte candidato para aplicações fotônicas não lineares de alta potência óptica. Além disso, o LToI está se tornando um material primário para dispositivos de filtro de ondas acústicas de superfície (SAW), aplicáveis em tecnologias móveis e sem fio de alta velocidade. Neste contexto, os wafers LToI podem se tornar materiais mais comuns para aplicações fotônicas. No entanto, até o momento, apenas alguns dispositivos fotônicos baseados em LToI foram relatados, como ressonadores de microdisco [8] e deslocadores de fase eletro-ópticos [9]. Neste artigo, apresentamos um guia de onda LToI de baixa perda e sua aplicação em um ressonador de anel. Além disso, fornecemos as características não lineares χ(3) do guia de ondas LToI.
Pontos-chave:
• Oferecendo wafers LToI de 4 a 6 polegadas, wafers de tantalato de lítio de filme fino, com espessuras de camada superior variando de 100 nm a 1.500 nm, utilizando tecnologia nacional e processos maduros.
• SINOI: Wafers de película fina de nitreto de silício com perdas ultrabaixas.
• SICOI: Substratos de película fina semi-isolantes de carboneto de silício de alta pureza para circuitos integrados fotônicos de carboneto de silício.
• LTOI: Um forte concorrente do niobato de lítio, wafers de tantalato de lítio de película fina.
• LNOI: LNOI de 8 polegadas que apoia a produção em massa de produtos de niobato de lítio de película fina em larga escala.
Fabricação em guias de onda isolantes:Neste estudo, utilizamos wafers LToI de 4 polegadas. A camada LT superior é um substrato LT comercial com corte em Y girado em 42° para dispositivos SAW, que é diretamente ligado a um substrato de Si com uma camada de óxido térmico de 3 µm de espessura, empregando um processo de corte inteligente. A Figura 1 (a) mostra uma vista superior do wafer LToI, com a espessura da camada superior de LT de 200 nm. Avaliamos a rugosidade superficial da camada superior de LT usando microscopia de força atômica (AFM).
Figura 1.(a) Vista superior do wafer LToI, (b) Imagem AFM da superfície da camada LT superior, (c) Imagem PFM da superfície da camada LT superior, (d) Seção transversal esquemática do guia de ondas LToI, (e) Perfil do modo TE fundamental calculado e (f) imagem SEM do núcleo do guia de ondas LToI antes da deposição da camada de SiO2. Conforme mostrado na Figura 1 (b), a rugosidade da superfície é inferior a 1 nm e nenhuma linha de risco foi observada. Além disso, examinamos o estado de polarização da camada superior de LT usando microscopia de força de resposta piezoelétrica (PFM), conforme representado na Figura 1 (c). Confirmamos que a polarização uniforme foi mantida mesmo após o processo de colagem.
Usando este substrato LToI, fabricamos o guia de ondas da seguinte forma. Primeiramente, uma camada de máscara metálica foi depositada para posterior ataque a seco do LT. Em seguida, a litografia por feixe de elétrons (EB) foi realizada para definir o padrão do núcleo do guia de ondas no topo da camada de máscara metálica. Em seguida, transferimos o padrão de resistência EB para a camada de máscara metálica através de ataque a seco. Posteriormente, o núcleo do guia de ondas LToI foi formado usando gravação de plasma por ressonância ciclotron eletrônica (ECR). Finalmente, a camada de máscara metálica foi removida através de um processo úmido, e uma camada de SiO2 foi depositada usando deposição química de vapor aprimorada por plasma. A Figura 1 (d) mostra a seção transversal esquemática do guia de ondas LToI. A altura total do núcleo, a altura da placa e a largura do núcleo são 200 nm, 100 nm e 1000 nm, respectivamente. Observe que a largura do núcleo se expande para 3 µm na borda do guia de ondas para acoplamento de fibra óptica.
A Figura 1 (e) exibe a distribuição de intensidade óptica calculada do modo elétrico transversal fundamental (TE) em 1550 nm. A Figura 1 (f) mostra a imagem do microscópio eletrônico de varredura (MEV) do núcleo do guia de ondas LToI antes da deposição da camada de SiO2.
Características do guia de ondas:Primeiro avaliamos as características de perda linear inserindo luz polarizada TE de uma fonte de emissão espontânea amplificada com comprimento de onda de 1550 nm em guias de onda LToI de comprimentos variados. A perda de propagação foi obtida a partir da inclinação da relação entre o comprimento do guia de ondas e a transmissão em cada comprimento de onda. As perdas de propagação medidas foram de 0,32, 0,28 e 0,26 dB/cm em 1530, 1550 e 1570 nm, respectivamente, conforme mostrado na Figura 2 (a). Os guias de onda LToI fabricados exibiram desempenho de baixa perda comparável aos guias de onda LNoI de última geração [10].
Em seguida, avaliamos a não-linearidade χ(3) através da conversão de comprimento de onda gerada por um processo de mistura de quatro ondas. Inserimos uma luz de bomba de onda contínua a 1550,0 nm e uma luz de sinal a 1550,6 nm em um guia de ondas de 12 mm de comprimento. Como mostrado na Figura 2 (b), a intensidade do sinal da onda de luz conjugada de fase (intermediária) aumentou com o aumento da potência de entrada. A inserção na Figura 2 (b) mostra o espectro de saída típico da mixagem de quatro ondas. A partir da relação entre potência de entrada e eficiência de conversão, estimamos o parâmetro não linear (γ) em aproximadamente 11 W^-1m.
Figura 3.(a) Imagem microscópica do ressonador de anel fabricado. (b) Espectros de transmissão do ressonador de anel com vários parâmetros de gap. (c) Espectro de transmissão medido e ajustado por Lorentzian do ressonador de anel com um intervalo de 1000 nm.
A seguir, fabricamos um ressonador de anel LToI e avaliamos suas características. A Figura 3 (a) mostra a imagem do microscópio óptico do ressonador de anel fabricado. O ressonador de anel apresenta configuração de “pista de corrida”, consistindo de uma região curva com raio de 100 µm e uma região reta de 100 µm de comprimento. A largura do intervalo entre o anel e o núcleo do guia de ondas do barramento varia em incrementos de 200 nm, especificamente em 800, 1.000 e 1.200 nm. A Figura 3 (b) exibe os espectros de transmissão para cada lacuna, indicando que a taxa de extinção muda com o tamanho da lacuna. A partir desses espectros, determinamos que o intervalo de 1000 nm fornece condições de acoplamento quase críticas, pois exibe a maior taxa de extinção de -26 dB.
Utilizando o ressonador criticamente acoplado, estimamos o fator de qualidade (fator Q) ajustando o espectro de transmissão linear com uma curva Lorentziana, obtendo um fator Q interno de 1,1 milhão, conforme mostrado na Figura 3 (c). Até onde sabemos, esta é a primeira demonstração de um ressonador de anel LToI acoplado a guia de ondas. Notavelmente, o valor do fator Q que alcançamos é significativamente maior do que o dos ressonadores de microdisco LToI acoplados a fibra [9].
Conclusão:Desenvolvemos um guia de ondas LToI com perda de 0,28 dB/cm a 1550 nm e um ressonador de anel com fator Q de 1,1 milhão. O desempenho obtido é comparável ao dos guias de onda LNoI de baixa perda de última geração. Além disso, investigamos a não linearidade χ (3) do guia de ondas LToI fabricado para aplicações não lineares no chip.
Horário da postagem: 20 de novembro de 2024