Tóm tắt:Chúng tôi đã phát triển một ống dẫn sóng lithium tantalate dựa trên chất cách điện 1550 nm với độ suy hao 0,28 dB/cm và hệ số chất lượng 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 tính chất phi tuyến χ(2) và χ(3) tuyệt vời cùng với khả năng giới hạn quang học mạnh mẽ nhờ cấu trúc "chất cách điện trên" của nó, đã dẫn đến những tiến bộ đáng kể trong công nghệ ống dẫn sóng cho các bộ điều biến siêu nhanh 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 của LN [6, 7]. Do đó, LToI nổi bật như một ứng cử viên vật liệu mạnh mẽ 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), ứng dụng trong các công nghệ di động và không dây tốc độ cao. Trong bối cảnh này, 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 vài thiết bị quang tử dựa trên LToI được báo cáo, chẳng hạn như bộ cộng hưởng đĩa vi mô [8] và bộ dịch pha điện quang [9]. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một ống dẫn sóng LToI có tổn thất 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 các tấm wafer LToI từ 4 inch đến 6 inch, các tấm wafer tantalate lithium màng mỏng, với độ dày lớp trên cùng từ 100 nm đến 1500 nm, sử dụng công nghệ trong nước và quy trình hoàn thiện.
• SINOI: Tấm wafer màng mỏng silicon nitride có độ hao hụt cực thấp.
• SICOI: Chất nền màng mỏng silicon carbide bán cách điện có độ tinh khiết cao dành cho mạch tích hợp quang tử silicon carbide.
• LTOI: Đối thủ cạnh tranh mạnh mẽ của lithium niobate, tấm wafer lithium tantalate màng mỏng.
• LNOI: LNOI 8 inch hỗ trợ sản xuất hàng loạt các sản phẩm lithium niobat màng mỏng quy mô lớn.
Sản xuất trên ống dẫn sóng cách điện:Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng wafer LToI 4 inch. Lớp LT trên cùng là đế LT cắt chữ Y thương mại, xoay 42° dành cho các thiết bị SAW, được liên kết trực tiếp với đế Si bằng lớp oxit nhiệt dày 3 µm, sử dụng quy trình cắt thông minh. Hình 1(a) cho thấy góc nhìn từ trên xuống của 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) Nhìn từ trên xuống của wafer LToI, (b) Ảnh AFM bề mặt của lớp LT trên cùng, (c) Ảnh PFM bề mặt của lớp LT trên cùng, (d) Sơ đồ mặt cắt ngang của ống dẫn sóng LToI, (e) Hồ sơ chế độ TE cơ bản được tính toán, và (f) Ảnh SEM của lõi ống dẫn sóng LToI trước khi phủ lớp SiO2. Như thể hiện trong Hình 1 (b), độ nhám bề mặt nhỏ hơn 1 nm và không quan sát thấy bất kỳ đường xước nào. Ngoài ra, chúng tôi đã kiểm tra trạng thái phân cực của lớp LT trên cùng bằng kính hiển vi lực đáp ứng áp điện (PFM), như được mô tả trong Hình 1 (c). Chúng tôi xác nhận rằng độ phân cực đồng đều được duy trì ngay cả sau quá trình liên kết.
Sử dụng chất nền 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, quang khắc chùm 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 chống EB sang lớp mặt nạ kim loại thông qua khắc khô. Sau đó, lõi ống dẫn sóng LToI được hình thành bằng cách sử dụng 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 phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma. Hình 1 (d) cho thấy mặt cắt ngang 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 nối sợi quang.
Hình 1 (e) hiển thị phân bố cường độ quang học được tính toán của chế độ điện ngang cơ bản (TE) ở 1550 nm. Hình 1 (f) hiển thị ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) của lõi ống dẫn sóng LToI trước khi lắng đọng lớp phủ SiO2.
Đặc điểm của ống dẫn sóng:Đầu tiên, chúng tôi đánh giá các đặc tính suy hao tuyến tính bằng cách đưa ánh sáng phân cực TE từ nguồn phát xạ tự phát khuếch đại bước sóng 1550 nm vào các ống dẫn sóng LToI có chiều dài khác nhau. Suy hao lan truyền được tính từ độ dốc của mối quan hệ giữa chiều dài ống dẫn sóng và độ truyền qua ở mỗi bước sóng. Suy hao lan truyền đo được lần lượt là 0,32, 0,28 và 0,26 dB/cm ở 1530, 1550 và 1570 nm, như thể hiện trong Hình 2 (a). Các ống dẫn sóng LToI chế tạo cho thấy hiệu suất suy hao thấp tương đương với các ống dẫn sóng LNoI tiên tiến [10].
Tiếp theo, chúng tôi đánh giá tính phi tuyến χ(3) thông qua phép chuyển đổi bước sóng được tạo ra bởi quá trình trộn bốn sóng. Chúng tôi đưa một ánh sáng bơm sóng liên tục ở bước sóng 1550,0 nm và một ánh sáng tín hiệu ở bước sóng 1550,6 nm vào ống dẫn sóng dài 12 mm. Như thể hiện trong Hình 2 (b), cường độ tín hiệu sóng ánh sáng liên hợp pha (sóng idler) tăng khi công suất đầu vào tăng. Hình chèn trong Hình 2 (b) cho thấy phổ đầu ra điển hình của quá trình trộn bốn sóng. Dựa trên mối quan hệ giữa công suất đầu vào và hiệu suất chuyển đổi, chúng tôi ước tính tham số phi tuyến (γ) xấp xỉ 11 W^-1m.
Hình 3.(a) Hình ảnh kính hiển vi của bộ cộng hưởng vòng được chế tạo. (b) Phổ truyền qua của bộ cộng hưởng vòng với các thông số khe hở khác nhau. (c) Phổ truyền qua được đo và được điều chỉnh theo Lorentz của bộ cộng hưởng vòng với khe hở 1000 nm.
Tiếp theo, chúng tôi chế tạo một bộ cộng hưởng vòng LToI và đánh giá các đặc tính của nó. Hình 3 (a) cho thấy ảnh chụp kính hiển vi quang học của bộ cộng hưởng vòng đã chế tạo. Bộ cộng hưởng vòng có cấu hình "đường đua", bao gồm một vùng cong có bán kính 100 µm và một 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 qua cho mỗi khe hở, cho thấy tỷ lệ tiêu tán thay đổi theo kích thước khe hở. Từ các phổ này, chúng tôi xác định rằng khe hở 1000 nm cung cấp các điều kiện ghép nối gần như tới hạn, vì nó thể hiện tỷ lệ tiêu tán cao nhất là -26 dB.
Sử dụng bộ cộng hưởng liên kết tới hạn, chúng tôi ước tính hệ số chất lượng (hệ số Q) bằng cách khớp phổ truyền tuyến tính với đường cong Lorentz, thu được hệ số Q nội tại là 1,1 triệu, như thể hiện trong Hình 3 (c). Theo hiểu biết của chúng tôi, đây là lần đầu tiên trình diễn bộ cộng hưởng vòng LToI liên kết với ống dẫn sóng. Đáng chú ý, giá trị hệ số Q mà chúng tôi đạt được cao hơn đáng kể so với bộ cộng hưởng đĩa vi mô LToI liên kết với sợi quang [9].
Phần kết luận:Chúng tôi đã phát triển một ống dẫn sóng LToI với độ suy hao 0,28 dB/cm ở 1550 nm và hệ số Q cộng hưởng vòng là 1,1 triệu. Hiệu suất thu được tương đương với các ống dẫn sóng LNoI suy hao 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