Resumo:Desenvolvemos um guia de onda de tantalato de lítio baseado em isolante de 1550 nm com perda de 0,28 dB/cm e fator de qualidade do 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 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 foi investigado como um 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 destaca-se como outro forte candidato a material 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 moduladores de fase eletro-ópticos [9]. Neste artigo, apresentamos um guia de ondas de LToI de baixa perda e sua aplicação em um ressonador de anel. Adicionalmente, fornecemos as características não lineares χ(3) do guia de ondas de LToI.
Pontos principais:
• Oferecemos wafers LToI de 4 a 6 polegadas, wafers de tantalato de lítio de película fina, com espessuras da camada superior variando de 100 nm a 1500 nm, utilizando tecnologia nacional e processos consolidados.
• SINOI: Wafer de película fina de nitreto de silício com perdas ultrabaixas.
• SICOI: Substratos de filme fino de carbeto de silício semi-isolante de alta pureza para circuitos integrados fotônicos de carbeto de silício.
• LTOI: Um forte concorrente do niobato de lítio, wafers de tantalato de lítio de película fina.
• LNOI: LNOI de 8 polegadas que suporta a produção em massa de produtos de niobato de lítio em 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 Y rotacionado a 42° para dispositivos SAW, 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 LT superior de 200 nm. Avaliamos a rugosidade da superfície da camada LT superior utilizando 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 calculado do modo TE fundamental e (f) imagem SEM do núcleo do guia de ondas LToI antes da deposição da camada de SiO2. Como mostrado na Figura 1 (b), a rugosidade da superfície é inferior a 1 nm e nenhuma linha de arranhão foi observada. Além disso, examinamos o estado de polarização da camada LT superior 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. Primeiro, uma camada de máscara metálica foi depositada para posterior gravação 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 sobre a camada de máscara metálica. Posteriormente, transferimos o padrão de fotorresiste EB para a camada de máscara metálica por meio de gravação a seco. Depois disso, o núcleo do guia de ondas LToI foi formado utilizando gravação por plasma de ressonância ciclotrônica de elétrons (ECR). Finalmente, a camada de máscara metálica foi removida por meio de um processo úmido e uma camada superior de SiO₂ foi depositada utilizando deposição química de vapor assistida por plasma (PECVD). A Figura 1(d) mostra o esquema da seção transversal do guia de ondas LToI. A altura total do núcleo, a altura da placa e a largura do núcleo são de 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 com fibra óptica.
A Figura 1(e) mostra a distribuição de intensidade óptica calculada do modo elétrico transversal (TE) fundamental em 1550 nm. A Figura 1(f) mostra a imagem de microscopia eletrônica de varredura (MEV) do núcleo do guia de ondas LToI antes da deposição da camada de SiO2.
Características do guia de ondas:Inicialmente, avaliamos as características de perda linear injetando luz polarizada TE proveniente 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 apresentaram 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 em 1550,0 nm e uma luz de sinal em 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 (idler) 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 microscópica do ressonador de anel fabricado. (b) Espectros de transmissão do ressonador de anel com diferentes parâmetros de espaçamento. (c) Espectro de transmissão medido e ajustado por função Lorentziana do ressonador de anel com um espaçamento de 1000 nm.
Em seguida, fabricamos um ressonador de anel LToI e avaliamos suas características. A Figura 3(a) mostra a imagem de microscopia óptica do ressonador de anel fabricado. O ressonador de anel apresenta uma configuração em "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 espaçamento entre o anel e o núcleo da guia de onda varia em incrementos de 200 nm, especificamente em 800, 1000 e 1200 nm. A Figura 3(b) exibe os espectros de transmissão para cada espaçamento, indicando que a taxa de extinção varia com o tamanho do espaçamento. A partir desses espectros, determinamos que o espaçamento de 1000 nm proporciona condições de acoplamento quase críticas, pois apresenta a maior taxa de extinção de -26 dB.
Utilizando o ressonador acoplado criticamente, 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, como 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 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 de anel de 1,1 milhão. O desempenho obtido é comparável ao dos guias de ondas LNoI de baixa perda mais modernos. Além disso, investigamos a não linearidade χ(3) do guia de ondas LToI fabricado para aplicações não lineares em chip.
Data da publicação: 20/11/2024