Resumo:Desenvolvemos um guia de onda de tantalato de lítio de 1550 nm baseado em isolante, com perda de 0,28 dB/cm e fator de qualidade do ressonador em anel de 1,1 milhão. A aplicação da não linearidade χ(3) em fotônica não linear foi estudada. As vantagens do niobato de lítio sobre isolante (LNoI), que exibe excelentes propriedades não lineares χ(2) e χ(3), juntamente com forte confinamento óptico devido à sua estrutura "isolante sobre", levaram a avanços significativos na tecnologia de guias de onda para moduladores ultrarrápidos e fotônica não linear integrada [1-3]. Além do LN, o tantalato de lítio (LT) também tem sido investigado como um material fotônico não linear. Comparado ao LN, o LT apresenta 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 material 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. Nesse contexto, wafers de 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 ondas 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 principais:
• Oferecemos 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 1500 nm, utilizando tecnologia nacional e processos maduros.
• SINOI: Wafers de filme fino de nitreto de silício com perda ultrabaixa.
• SICOI: Substratos de filme fino de carboneto de silício semi-isolante 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 dá suporte à 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 de LToI de 4 polegadas. A camada superior de LT é um substrato comercial de LT com corte em Y, rotacionado 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 de LToI, com a espessura da camada superior de LT de 200 nm. Avaliamos a rugosidade da superfície da camada superior de LT usando microscopia de força atômica (AFM).
Figura 1.(a) Vista superior do wafer de LToI, (b) Imagem AFM da superfície da camada superior de LT, (c) Imagem PFM da superfície da camada superior de LT, (d) Seção transversal esquemática do guia de ondas de LToI, (e) Perfil do modo TE fundamental calculado, e (f) Imagem SEM do núcleo do guia de ondas de LToI antes da deposição da camada superior de SiO2. Conforme mostrado na Figura 1 (b), a rugosidade da superfície é menor que 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 ilustrado na Figura 1 (c). Confirmamos que a polarização uniforme foi mantida mesmo após o processo de ligação.
Utilizando este substrato LToI, fabricamos o guia de ondas da seguinte forma. Primeiramente, uma camada de máscara metálica foi depositada para posterior ataque químico a seco do LT. Em seguida, foi realizada litografia por feixe de elétrons (EB) para definir o padrão do núcleo do guia de ondas sobre a camada de máscara metálica. Em seguida, transferimos o padrão de resistência EB para a camada de máscara metálica por ataque químico a seco. Posteriormente, o núcleo do guia de ondas LToI foi formado por ataque químico a plasma por ressonância cíclotron de elétrons (ECR). Finalmente, a camada de máscara metálica foi removida por meio de um processo úmido e uma sobrecamada de SiO2 foi depositada por deposição química de vapor intensificada 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 de microscópio eletrônico de varredura (MEV) do núcleo do guia de ondas LToI antes da deposição da camada de SiO2.
Características do guia de ondas:Primeiramente, avaliamos as características de perda linear introduzindo luz polarizada por 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 onda 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 ao dos guias de onda LNoI de última geração [10].
Em seguida, avaliamos a não linearidade χ(3) por meio da conversão de comprimento de onda gerada por um processo de mistura de quatro ondas. Inserimos uma luz de bombeamento 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 em fase (ociosa) aumentou com o aumento da potência de entrada. O detalhe na Figura 2 (b) mostra o espectro de saída típico da mistura de quatro ondas. A partir da relação entre a potência de entrada e a eficiência de conversão, estimamos o parâmetro não linear (γ) em aproximadamente 11 W^-1m.
Figura 3.(a) Imagem de microscópio do ressonador de anel fabricado. (b) Espectros de transmissão do ressonador de anel com vários parâmetros de lacuna. (c) Espectro de transmissão medido e ajustado por Lorentz do ressonador de anel com uma lacuna de 1000 nm.
Em seguida, fabricamos um ressonador em anel LToI e avaliamos suas características. A Figura 3 (a) mostra a imagem de microscópio óptico do ressonador em anel fabricado. O ressonador em anel apresenta uma configuração de "pista de corrida", consistindo em uma região curva com raio de 100 µm e uma região reta de 100 µm de comprimento. A largura do gap entre o anel e o núcleo do guia de ondas do barramento varia em incrementos de 200 nm, especificamente em 800, 1000 e 1200 nm. A Figura 3 (b) exibe os espectros de transmissão para cada gap, indicando que a taxa de extinção muda com o tamanho do gap. A partir desses espectros, determinamos que o gap 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 em anel LToI acoplado a guia de onda. Notavelmente, o valor do fator Q que alcançamos é significativamente maior do que o de 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 fator Q do ressonador em anel de 1,1 milhão. O desempenho obtido é comparável ao de guias de ondas LToI de baixa perda de última geração. Além disso, investigamos a não linearidade χ(3) do guia de ondas LToI fabricado para aplicações não lineares on-chip.
Horário da publicação: 20/11/2024