Tóm tắt:Chúng tôi đã phát triển ống dẫn sóng lithium tantalate dựa trên chất cách điện 1550 nm với mức suy hao 0,28 dB/cm và hệ số chất lượng của bộ cộng hưởng vòng là 1,1 triệu. Ứng dụng của tính phi tuyến χ(3) trong quang tử phi tuyến đã được nghiên cứu. Ưu điểm của lithium niobate trên chất cách điện (LNoI), thể hiện các đặc tính phi tuyến tuyệt vời χ(2) và χ(3) cùng với khả năng giam cầm quang học mạnh nhờ cấu trúc "bật chất cách điện" của nó, đã dẫn đến những tiến bộ đáng kể trong công nghệ ống dẫn sóng cho cực nhanh bộ điều biến và quang tử phi tuyến tích hợp [1-3]. Ngoài LN, lithium tantalate (LT) cũng đã được nghiên cứu như một vật liệu quang tử phi tuyến. So với LN, LT có ngưỡng hư hỏng quang học cao hơn và cửa sổ trong suốt quang học rộng hơn [4, 5], mặc dù các thông số quang học của nó, chẳng hạn như chiết suất và hệ số phi tuyến, tương tự như LN [6, 7]. Do đó, LToI nổi bật như một vật liệu ứng cử viên nặng ký khác cho các ứng dụng quang tử phi tuyến công suất quang cao. Hơn nữa, LToI đang trở thành vật liệu chính cho các thiết bị lọc sóng âm bề mặt (SAW), áp dụng trong công nghệ di động và không dây tốc độ cao. Trong bối cảnh này, tấm wafer LToI có thể trở thành vật liệu phổ biến hơn cho các ứng dụng quang tử. Tuy nhiên, cho đến nay, chỉ có một số thiết bị quang tử dựa trên LToI được báo cáo, chẳng hạn như bộ cộng hưởng microdisk [8] và bộ dịch pha điện quang [9]. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày ống dẫn sóng LToI tổn hao thấp và ứng dụng của nó trong bộ cộng hưởng vòng. Ngoài ra, chúng tôi cung cấp các đặc tính phi tuyến χ(3) của ống dẫn sóng LToI.
Những điểm chính:
• Cung cấp tấm wafer LToI 4 inch đến 6 inch, tấm wafer lithium tantalate màng mỏng, với độ dày lớp trên cùng từ 100 nm đến 1500 nm, sử dụng công nghệ trong nước và các quy trình hoàn thiện.
• SINOI: Tấm wafer màng mỏng silicon nitride tổn thất cực thấp.
• SICOI: Chất nền màng mỏng cacbua silic bán cách điện có độ tinh khiết cao dành cho mạch tích hợp quang tử cacbua silic.
• LTOI: Đối thủ cạnh tranh mạnh mẽ với lithium niobate, tấm wafer lithium tantalate màng mỏng.
• LNOI: LNOI 8 inch hỗ trợ sản xuất hàng loạt các sản phẩm lithium niobate màng mỏng quy mô lớn hơn.
Chế tạo ống dẫn sóng cách điện:Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng tấm wafer LToI 4 inch. Lớp LT trên cùng là chất nền LT cắt chữ Y xoay 42° thương mại dành cho các thiết bị SAW, được liên kết trực tiếp với chất nền Si bằng lớp oxit nhiệt dày 3 µm, sử dụng quy trình cắt thông minh. Hình 1(a) hiển thị hình nhìn từ trên xuống của tấm wafer LToI, với độ dày lớp LT trên cùng là 200 nm. Chúng tôi đã đánh giá độ nhám bề mặt của lớp LT trên cùng bằng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM).
Hình 1.(a) Mặt trên của tấm wafer LToI, (b) Hình ảnh AFM của bề mặt của lớp LT trên cùng, (c) Hình ảnh PFM của bề mặt của lớp LT trên cùng, (d) Mặt cắt sơ đồ của ống dẫn sóng LToI, (e) Cấu hình chế độ TE cơ bản được tính toán và (f) Ảnh SEM của lõi ống dẫn sóng LToI trước khi lắng đọng lớp phủ SiO2. Như được hiển thị trong Hình 1 (b), độ nhám bề mặt nhỏ hơn 1 nm và không quan sát thấy đường xước. Ngoài ra, chúng tôi đã kiểm tra trạng thái phân cực của lớp LT trên cùng bằng kính hiển vi lực phản ứng áp điện (PFM), như mô tả trong Hình 1 (c). Chúng tôi xác nhận rằng sự phân cực đồng đều được duy trì ngay cả sau quá trình liên kết.
Sử dụng đế LToI này, chúng tôi đã chế tạo ống dẫn sóng như sau. Đầu tiên, một lớp mặt nạ kim loại được lắng đọng để tiếp tục khắc khô LT. Sau đó, kỹ thuật in thạch bản chùm tia điện tử (EB) được thực hiện để xác định mẫu lõi ống dẫn sóng trên lớp mặt nạ kim loại. Tiếp theo, chúng tôi chuyển mẫu điện trở EB sang lớp mặt nạ kim loại thông qua phương pháp khắc khô. Sau đó, lõi ống dẫn sóng LToI được hình thành bằng phương pháp khắc plasma cộng hưởng cyclotron điện tử (ECR). Cuối cùng, lớp mặt nạ kim loại được loại bỏ thông qua quy trình ướt và lớp phủ SiO2 được lắng đọng bằng cách lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma. Hình 1 (d) hiển thị mặt cắt sơ đồ của ống dẫn sóng LToI. Tổng chiều cao lõi, chiều cao tấm và chiều rộng lõi lần lượt là 200 nm, 100 nm và 1000 nm. Lưu ý rằng chiều rộng lõi mở rộng đến 3 µm ở cạnh ống dẫn sóng để ghép sợi quang.
Hình 1 (e) hiển thị phân bố cường độ quang được tính toán của chế độ điện ngang cơ bản (TE) ở bước sóng 1550 nm. Hình 1 (f) hiển thị hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của lõi ống dẫn sóng LToI trước khi lắng đọng lớp phủ SiO2.
Đặc điểm ống dẫn sóng:Trước tiên, chúng tôi đã đánh giá các đặc tính tổn thất tuyến tính bằng cách đưa ánh sáng phân cực TE từ nguồn phát xạ tự phát khuếch đại bước sóng 1550nm vào các ống dẫn sóng LToI có độ dài khác nhau. Suy hao truyền dẫn thu được từ độ dốc của mối quan hệ giữa chiều dài ống dẫn sóng và độ truyền ở mỗi bước sóng. Suy hao truyền sóng đo được lần lượt là 0,32, 0,28 và 0,26 dB/cm ở 1530, 1550 và 1570 nm, như trong Hình 2 (a). Các ống dẫn sóng LToI được chế tạo có hiệu suất tổn hao thấp tương đương với các ống dẫn sóng LNoI hiện đại [10].
Tiếp theo, chúng tôi đánh giá tính phi tuyến χ(3) thông qua chuyển đổi bước sóng được tạo ra bởi quá trình trộn bốn sóng. Chúng tôi đưa đèn bơm sóng liên tục ở bước sóng 1550,0 nm và đèn tín hiệu ở bước sóng 1550,6 nm vào ống dẫn sóng dài 12 mm. Như được hiển thị trong Hình 2 (b), cường độ tín hiệu sóng ánh sáng liên hợp pha (không tải) tăng khi công suất đầu vào tăng. Hình nhỏ trong Hình 2 (b) hiển thị phổ đầu ra điển hình của quá trình trộn bốn sóng. Từ mối quan hệ giữa công suất đầu vào và hiệu suất chuyển đổi, chúng tôi ước tính tham số phi tuyến (γ) vào khoảng 11 W^-1m.
Hình 3.( a ) Hình ảnh kính hiển vi của bộ cộng hưởng vòng được chế tạo. (b) Phổ truyền của bộ cộng hưởng vòng với các thông số khe hở khác nhau. ( c ) Phổ truyền được đo và trang bị Lorentzian của bộ cộng hưởng vòng có khoảng cách 1000nm.
Tiếp theo, chúng tôi chế tạo bộ cộng hưởng vòng LToI và đánh giá các đặc tính của nó. Hình 3 (a) hiển thị hình ảnh kính hiển vi quang học của bộ cộng hưởng vòng được chế tạo. Bộ cộng hưởng vòng có cấu hình "đường đua", bao gồm vùng cong có bán kính 100 µm và vùng thẳng dài 100 µm. Độ rộng khe hở giữa vòng và lõi ống dẫn sóng bus thay đổi theo từng bước 200 nm, cụ thể là ở 800, 1000 và 1200 nm. Hình 3 (b) hiển thị phổ truyền cho từng khe hở, biểu thị rằng tỷ lệ tắt thay đổi theo kích thước khe hở. Từ những quang phổ này, chúng tôi xác định rằng khoảng cách 1000nm cung cấp các điều kiện ghép gần như tới hạn, vì nó thể hiện tỷ lệ tắt cao nhất là -26 dB.
Sử dụng bộ cộng hưởng được ghép cực kỳ, chúng tôi ước tính hệ số chất lượng (hệ số Q) bằng cách khớp phổ truyền tuyến tính với đường cong Lorentzian, thu được hệ số Q bên trong là 1,1 triệu, như trong Hình 3 (c). Theo hiểu biết của chúng tôi, đây là minh chứng đầu tiên về bộ cộng hưởng vòng LToI kết hợp với ống dẫn sóng. Đáng chú ý, giá trị hệ số Q mà chúng tôi đạt được cao hơn đáng kể so với giá trị của bộ cộng hưởng microdisk LToI ghép sợi quang [9].
Phần kết luận:Chúng tôi đã phát triển ống dẫn sóng LToI với mức suy hao 0,28 dB/cm ở 1550 nm và hệ số Q của bộ cộng hưởng vòng là 1,1 triệu. Hiệu suất thu được có thể so sánh với hiệu suất của các ống dẫn sóng LNoI tổn thất thấp hiện đại. Ngoài ra, chúng tôi đã nghiên cứu tính phi tuyến χ(3) của ống dẫn sóng LToI được sản xuất cho các ứng dụng phi tuyến trên chip.
Thời gian đăng: 20-11-2024