Аннотация:Біз 0,28 дБ/см3 жоғалтумен және сақиналы резонатордың сапа коэффициенті 1,1 миллион болатын 1550 нм изолятор негізіндегі литий танталат толқын өткізгішін жасадық. χ(3) сызықтық еместігін сызықтық емес фотоникада қолдану зерттелді. "Оқшаулағыштағы" құрылымына байланысты күшті оптикалық шектеумен қатар, χ(2) және χ(3) сызықтық емес қасиеттерін көрсететін литий ниобатының (LNoI) артықшылықтары аса жылдам модуляторлар мен интеграцияланған сызықтық емес фотоникаға арналған толқын өткізгіш технологиясында айтарлықтай жетістіктерге әкелді [1-3]. LN-ден басқа, литий танталаты (LT) де сызықтық емес фотондық материал ретінде зерттелді. LN-мен салыстырғанда, LT жоғары оптикалық зақымдану шегіне және кең оптикалық мөлдірлік терезесіне ие [4, 5], дегенмен оның сыну көрсеткіші және сызықтық емес коэффициенттер сияқты оптикалық параметрлері LN-ге ұқсас [6, 7]. Осылайша, LToI жоғары оптикалық қуатты сызықты емес фотондық қолданбалар үшін тағы бір күшті кандидат материал ретінде ерекшеленеді. Сонымен қатар, LToI жоғары жылдамдықты мобильді және сымсыз технологияларда қолданылатын беттік акустикалық толқын (SAW) сүзгі құрылғылары үшін негізгі материалға айналуда. Осыған байланысты LToI пластиналары фотондық қолданбалар үшін кең таралған материалдарға айналуы мүмкін. Дегенмен, бүгінгі күнге дейін LToI негізіндегі бірнеше фотондық құрылғылар туралы хабарланды, мысалы, микродиск резонаторлары [8] және электрооптикалық фазалық ауыстырғыштар [9]. Бұл мақалада біз төмен шығынды LToI толқын өткізгішін және оны сақиналы резонаторда қолдануды ұсынамыз. Сонымен қатар, біз LToI толқын өткізгішінің χ(3) сызықты емес сипаттамаларын ұсынамыз.
Негізгі мәселелер:
• Отандық технологиялар мен жетілдірілген процестерді пайдалана отырып, жоғарғы қабатының қалыңдығы 100 нм-ден 1500 нм-ге дейінгі 4 дюймнен 6 дюймге дейінгі LToI пластиналарын, жұқа қабықшалы литий танталат пластиналарын ұсынады.
• SINOI: Өте төмен шығынды кремний нитриді жұқа пленкалы пластиналар.
• SICOI: Кремний карбидінің фотонды интегралды схемаларына арналған жоғары тазалықтағы жартылай оқшаулағыш кремний карбидінің жұқа қабықшалы төсемдері.
• LTOI: Литий ниобаты, жұқа қабықшалы литий танталат пластиналарына күшті бәсекелес.
• LNOI: ірі көлемді жұқа қабықшалы литий ниобаты өнімдерін жаппай өндіруді қолдайтын 8 дюймдік LNOI.
Оқшаулағыш толқын өткізгіштерде өндіріс:Бұл зерттеуде біз 4 дюймдік LToI пластиналарын қолдандық. Жоғарғы LT қабаты - SAW құрылғыларына арналған коммерциялық 42° бұрылған Y-кесілген LT негізі, ол Si негізіне 3 мкм қалыңдықтағы термиялық оксид қабаты арқылы тікелей жалғанған, ақылды кесу процесін қолданады. 1(a) суретте жоғарғы LT қабатының қалыңдығы 200 нм болатын LToI пластинасының жоғарғы көрінісі көрсетілген. Біз жоғарғы LT қабатының беткі кедір-бұдырлығын атомдық күш микроскопиясын (AFM) пайдаланып бағаладық.
1-сурет.(a) LToI пластинасының жоғарғы көрінісі, (b) жоғарғы LT қабатының бетінің AFM кескіні, (c) жоғарғы LT қабатының бетінің PFM кескіні, (d) LToI толқын өткізгішінің схемалық көлденең қимасы, (e) есептелген негізгі TE режимінің профилі және (f) SiO2 қабатының тұндырылуына дейінгі LToI толқын өткізгіш өзегінің SEM кескіні. 1-суретте (b) көрсетілгендей, бетінің кедір-бұдырлығы 1 нм-ден аз және сызат сызықтары байқалмады. Сонымен қатар, біз 1-суретте (c) көрсетілгендей, жоғарғы LT қабатының поляризация күйін пьезоэлектрлік жауап күшінің микроскопиясын (PFM) пайдаланып зерттедік. Біз байланыс процесінен кейін де біркелкі поляризация сақталғанын растадық.
Осы LToI негізін пайдаланып, біз толқын өткізгішті келесідей жасадық. Алдымен, LT-ны құрғақ ою үшін металл маска қабаты салынды. Содан кейін, металл маска қабатының үстіндегі толқын өткізгіш өзек үлгісін анықтау үшін электронды-сәулелік (EB) литографиясы жүргізілді. Содан кейін, біз EB кедергі үлгісін құрғақ ою арқылы металл маска қабатына ауыстырдық. Содан кейін, LToI толқын өткізгіш өзегі электронды циклотронды-резонанстық (ECR) плазмалық ою арқылы жасалды. Соңында, металл маска қабаты ылғалды процесс арқылы алынып тасталды, ал плазмамен күшейтілген химиялық бу шөгіндісін қолдану арқылы SiO2 қабаты салынды. 1-суретте (d) LToI толқын өткізгішінің схемалық көлденең қимасы көрсетілген. Жалпы өзек биіктігі, пластина биіктігі және өзек ені сәйкесінше 200 нм, 100 нм және 1000 нм. Оптикалық талшықты байланыстыру үшін өзек ені толқын өткізгіш шетінде 3 мкм-ге дейін кеңейетінін ескеріңіз.
1-суретте (e) 1550 нм толқын ұзындығындағы негізгі көлденең электрлік (TE) режимнің есептелген оптикалық қарқындылық таралуы көрсетілген. 1-суретте (f) SiO2 қабатын тұндыру алдындағы LToI толқын өткізгіш өзегінің сканерлеуші электронды микроскопының (SEM) кескіні көрсетілген.
Толқын бағыттаушы сипаттамалары:Алдымен сызықтық шығын сипаттамаларын 1550 нм толқын ұзындығымен күшейтілген өздігінен сәулелену көзінен TE-поляризацияланған жарықты әртүрлі ұзындықтағы LToI толқын өткізгіштеріне енгізу арқылы бағаладық. Таралу шығыны толқын өткізгіш ұзындығы мен әрбір толқын ұзындығындағы өткізгіштік арасындағы қатынастың көлбеуінен алынды. Өлшенген таралу шығындары 2-суретте (а) көрсетілгендей, 1530, 1550 және 1570 нм-де сәйкесінше 0,32, 0,28 және 0,26 дБ/см2 болды. Жасалған LToI толқын өткізгіштері заманауи LNoI толқын өткізгіштерімен салыстыруға болатын төмен шығынды өнімділікті көрсетті [10].
Әрі қарай, біз төрт толқынды араластыру процесі арқылы пайда болған толқын ұзындығын түрлендіру арқылы χ(3) сызықтық еместігін бағаладық. Біз 12 мм ұзындықтағы толқын өткізгішке 1550,0 нм үздіксіз толқын сорғысының шамын және 1550,6 нм сигнал шамын енгіздік. 2(b) суретте көрсетілгендей, фазалық конъюгат (бос жүріс) жарық толқынының сигнал қарқындылығы кіріс қуатының артуымен артты. 2(b) суреттегі кіріс төрт толқынды араластырудың типтік шығыс спектрін көрсетеді. Кіріс қуаты мен түрлендіру тиімділігі арасындағы байланыстан біз сызықтық емес параметрді (γ) шамамен 11 Вт^-1 м деп бағаладық.
3-сурет.(a) Жасалған сақиналы резонатордың микроскоптық кескіні. (b) Әртүрлі саңылау параметрлері бар сақиналы резонатордың беріліс спектрлері. (c) 1000 нм саңылауы бар сақиналы резонатордың өлшенген және Лоренцпен жабдықталған беріліс спектрі.
Әрі қарай, біз LToI сақиналы резонаторын жасап, оның сипаттамаларын бағаладық. 3-суретте (а) жасалған сақиналы резонатордың оптикалық микроскоптық кескіні көрсетілген. Сақиналы резонатор радиусы 100 мкм және ұзындығы 100 мкм болатын тік аймақтан тұратын «жарыс жолы» конфигурациясына ие. Сақина мен толқын өткізгіш өзегі арасындағы саңылаудың ені 200 нм қадамдармен, атап айтқанда 800, 1000 және 1200 нм-де өзгереді. 3-суретте (b) әрбір саңылаудың беріліс спектрлері көрсетілген, бұл сөну коэффициентінің саңылаудың өлшемімен өзгеретінін көрсетеді. Осы спектрлерден біз 1000 нм саңылаудың -26 дБ ең жоғары сөну коэффициентін көрсететіндіктен, өте маңызды байланыс жағдайларын қамтамасыз ететінін анықтадық.
Сыни байланысқан резонаторды пайдаланып, біз сызықтық беріліс спектрін Лоренц қисығымен сәйкестендіру арқылы сапа факторын (Q факторын) бағаладық, нәтижесінде 3 (c) суретте көрсетілгендей, 1,1 миллион ішкі Q факторын алдық. Біздің білуімізше, бұл толқын өткізгішпен байланысқан LToI сақиналы резонаторының алғашқы көрсетілімі. Атап айтқанда, біз қол жеткізген Q факторының мәні талшықты байланысқан LToI микродискілі резонаторларына қарағанда айтарлықтай жоғары [9].
Қорытынды:Біз 1550 нм толқын ұзындығында 0,28 дБ/см3 шығыны бар және сақиналы резонатордың Q коэффициенті 1,1 миллион болатын LToI толқын өткізгішін жасадық. Алынған өнімділік заманауи төмен шығынды LNoI толқын өткізгіштерінің өнімділігімен салыстыруға болады. Сонымен қатар, біз чиптегі сызықты емес қолданбалар үшін өндірілген LToI толқын өткізгішінің χ(3) сызықты еместігін зерттедік.
Жарияланған уақыты: 20 қараша 2024 ж.