Tóm tắt:Chúng tôi đã phát triển một ống dẫn sóng liti tantalat dựa trên chất cách điện 1550 nm với tổn thất 0,28 dB/cm và hệ số chất lượng cộng hưởng vòng là 1,1 triệu. Ứng dụng của phi tuyến tính χ(3) trong quang tử phi tuyến tính đã được nghiên cứu. Những ưu điểm của liti niobate trên chất cách điện (LNoI), thể hiện các đặc tính phi tuyến tính χ(2) và χ(3) tuyệt vời cùng với khả năng giới hạn quang học mạnh do 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 cực nhanh và quang tử phi tuyến tính tích hợp [1-3]. Ngoài LN, liti tantalat (LT) cũng đã được nghiên cứu như một vật liệu quang tử phi tuyến tính. So với LN, LT có ngưỡng hư hỏng quang học cao hơn và cửa sổ độ 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 tính, tương tự như của LN [6, 7]. Do đó, LToI nổi bật như một vật liệu ứng cử viên mạnh khác cho các ứng dụng quang tử phi tuyến tính công suất quang cao. Hơn nữa, LToI đang trở thành vật liệu chính cho các thiết bị lọc sóng âm bề mặt (SAW), có thể áp dụng trong các công nghệ di động và không dây tốc độ cao. Trong bối cảnh này, các 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 ít thiết bị quang tử dựa trên LToI được báo cáo, chẳng hạn như bộ cộng hưởng đĩa vi mô [8] và bộ dịch pha quang điện [9]. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một ống dẫn sóng LToI có tổn thất thấp và ứng dụng của nó trong một bộ cộng hưởng vòng. Ngoài ra, chúng tôi cung cấp các đặc tính phi tuyến tính χ(3) của ống dẫn sóng LToI.
Những điểm chính:
• Cung cấp các tấm wafer LToI 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 các tấm wafer LToI 4 inch. Lớp LT trên cùng là một 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) cho thấy góc 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) Góc nhìn từ trên xuống của wafer LToI, (b) Ảnh AFM của bề mặt lớp LT trên cùng, (c) Ảnh PFM của bề mặt lớp LT trên cùng, (d) Mặt cắt ngang sơ đồ 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 lắng đọng lớp phủ SiO2. Như thể hiện trong Hình 1 (b), độ nhám bề mặt nhỏ hơn 1 nm và không quan sát thấy 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 mô tả trong Hình 1 (c). Chúng tôi xác nhận rằng phân cực đồng đều được duy trì ngay cả sau quá trình liên kết.
Sử dụng chất nền LToI này, chúng tôi chế tạo ống dẫn sóng như sau. Đầu tiên, một lớp mặt nạ kim loại được lắng đọng để khắc khô LT sau đó. 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 electron (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 sử dụng 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 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 hình ảnh 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 mất mát 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 độ dài khác nhau. Mất mát lan truyền được lấy từ độ dốc của mối quan hệ giữa chiều dài ống dẫn sóng và độ truyền ở mỗi bước sóng. Các mất mát lan truyền được đo là 0,32, 0,28 và 0,26 dB/cm ở 1530, 1550 và 1570 nm, tương ứng, như thể hiện trong Hình 2 (a). Các ống dẫn sóng LToI chế tạo thể hiện hiệu suất mất mát thấp tương đương với các ống dẫn sóng LNoI hiện đại [10].
Tiếp theo, chúng tôi đánh giá tính phi tuyến tính χ(3) thông qua chuyển đổi bước sóng được tạo ra bởi quá trình trộn bốn sóng. Chúng tôi đưa một ánh sáng bơm sóng liên tục ở 1550,0 nm và một ánh sáng tín hiệu ở 1550,6 nm vào một ống dẫn sóng dài 12 mm. Như thể hiện trong Hình 2 (b), cường độ tín hiệu sóng ánh sáng liên hợp pha (bộ phận làm chậm) tăng lên 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. Từ mối quan hệ giữa công suất đầu vào và hiệu suất chuyển đổi, chúng tôi ước tính tham số phi tuyến tính (γ) xấp xỉ 11 W^-1m.
Hình 3.(a) Hình ảnh kính hiển vi của bộ cộng hưởng vòng chế tạo. (b) Phổ truyền của bộ cộng hưởng vòng với các thông số khe hở khác nhau. (c) Phổ truyền được đo và phù hợp với Lorentzian 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 điểm của nó. Hình 3 (a) cho thấy 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 một vùng cong có bán kính 100 µm và một vùng thẳng dài 100 µm. Chiều rộng khe hở giữa vòng và lõi ống dẫn sóng bus thay đổi theo gia số 200 nm, cụ thể là ở 800, 1000 và 1200 nm. Hình 3 (b) hiển thị phổ truyền cho mỗi khe hở, cho biết 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 quan trọng, chúng tôi ước tính hệ số chất lượng (hệ số Q) bằng cách lắp phổ truyền tuyến tính với đường cong Lorentzian, thu được hệ số Q nội bộ 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 giá trị của 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 của bộ cộng hưởng vòng là 1,1 triệu. Hiệu suất thu được tương đương với hiệu suất của ống dẫn sóng LNoI có độ suy hao thấp hiện đại. Ngoài ra, chúng tôi đã nghiên cứu tính phi tuyến tính χ(3) của ống dẫn sóng LToI được sản xuất cho các ứng dụng phi tuyến tính trên chip.
Thời gian đăng: 20-11-2024