Tóm tắt:Chúng tôi đã phát triển một ống dẫn sóng lithium tantalate dựa trên chất cách điện 1550 nm với tổn hao 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 đã được nghiên cứu. Ưu điểm của lithium 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 giam giữ quang học mạnh mẽ do cấu trúc "chất cách điện trên" của nó, đã dẫn đến những tiến bộ đáng kể trong công nghệ ống dẫn sóng cho 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 chỉ số khúc xạ và hệ số phi tuyến, tương tự như của LN [6, 7]. Do đó, LToI nổi bật như một vật liệu ứng cử viên 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), có thể áp dụng trong 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 vài thiết bị quang tử dựa trên LToI được báo cáo, chẳng hạn như bộ cộng hưởng vi đĩa [8] và bộ dịch pha điện quang [9]. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một 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 các tấm wafer LToI từ 4 inch đến 6 inch, wafer lithium tantalate màng mỏng, với độ dày lớp trên cùng từ 100 nm đến 1500 nm, sử dụng công nghệ trong nước và quy trình đã được hoàn thiện.
• SINOI: Tấm wafer màng mỏng silicon nitride tổn hao cực thấp.
• SICOI: Màng mỏng silicon carbide bán cách điện độ tinh khiết cao dùng cho mạch tích hợp quang tử silicon carbide.
• LTOI: Một đối thủ cạnh tranh mạnh mẽ với lithium niobate, các tấm wafer lithium tantalate màng mỏng.
• LNOI: Màn hình LNOI 8 inch hỗ trợ sản xuất hàng loạt các sản phẩm niobat lithi màng mỏng quy mô lớn.
Sản xuất trên ống dẫn sóng cách điện:Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng các tấm wafer LToI 4 inch. Lớp LT trên cùng là chất nền LT cắt theo trục Y xoay 42° thương mại dành cho các thiết bị SAW, được liên kết trực tiếp với chất nền Si bằng một lớp oxit nhiệt dày 3 µm, sử dụng quy trình cắt thông minh. Hình 1(a) cho thấy hình chiếu 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) Hình chiếu từ trên xuống của tấm wafer LToI, (b) Hình ảnh AFM của bề mặt lớp LT trên cùng, (c) Hình 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) Hình 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 các đường xước. Ngoài ra, chúng tôi đã kiểm tra trạng thái phân cực của lớp LT trên cùng bằng kính hiển vi lực phản hồi áp điện (PFM), như được mô tả trong Hình 1 (c). Chúng tôi đã xác nhận rằng sự phân cực đồng nhất 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 thực hiện quá trình khắc khô LT tiếp theo. Sau đó, quá trình khắc quang 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 chất cản EB lên lớp mặt nạ kim loại bằng cách khắc khô. Sau đó, lõi ống dẫn sóng LToI được tạo thành bằng cách khắc plasma cộng hưởng cyclotron điện tử (ECR). Cuối cùng, lớp mặt nạ kim loại được loại bỏ bằng quy trình ướt, và một 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 mép ống dẫn sóng để ghép nối với sợi quang.
Hình 1 (e) hiển thị sự phân bố cường độ quang học được tính toán của chế độ điện trường ngang (TE) cơ bản ở bước sóng 1550 nm. Hình 1 (f) cho thấy hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của lõi ống dẫn sóng LToI trước khi phủ lớp SiO2.
Đặc tính của ống dẫn sóng:Đầu tiên, chúng tôi đánh giá 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 truyền dẫn được thu được từ độ dốc của mối quan hệ giữa chiều dài ống dẫn sóng và độ truyền dẫn ở mỗi bước sóng. Suy hao truyền dẫn đo được lần lượt là 0,32, 0,28 và 0,26 dB/cm ở các bước sóng 1530, 1550 và 1570 nm, như thể hiện trong Hình 2 (a). Các ống dẫn sóng LToI được chế tạo cho thấy hiệu suất suy hao thấp tương đương với các ống dẫn sóng LNoI tiên tiến nhất [10].
Tiếp theo, chúng tôi đánh giá tính phi tuyến χ(3) thông qua quá trình chuyển đổi bước sóng được tạo ra bởi quá trình trộn bốn sóng. Chúng tôi đưa ánh sáng bơm sóng liên tục ở 1550,0 nm và 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 (idler) 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 (γ) xấp xỉ 11 W^-1m.
Hình 3.(a) Hình ảnh hiển vi của bộ cộng hưởng vòng được chế tạo. (b) Phổ truyền dẫn của bộ cộng hưởng vòng với các thông số khe hở khác nhau. (c) Phổ truyền dẫn đo được và được hiệu chỉnh theo hàm Lorentzian của bộ cộng hưởng vòng với khe hở 1000 nm.
Tiếp theo, chúng tôi đã chế tạo một bộ cộng hưởng vòng LToI và đánh giá các đặc tính của nó. Hình 3 (a) cho thấy hình ảnh 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. Chiều rộng khe hở giữa vòng và lõi ống dẫn sóng thay đổi theo từng bước 200 nm, cụ thể là ở 800, 1000 và 1200 nm. Hình 3 (b) hiển thị phổ truyền dẫn cho mỗi khe hở, cho thấy tỷ lệ triệt tiêu 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 triệt tiêu cao nhất là -26 dB.
Sử dụng bộ cộng hưởng ghép nối tới hạn, chúng tôi đã 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 thể hiện trong Hình 3 (c). Theo hiểu biết của chúng tôi, đây là lần đầu tiên chứng minh được bộ cộng hưởng vòng LToI ghép nối 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 vi đĩa LToI ghép nối sợi quang [9].
Phần kết luận:Chúng tôi đã phát triển một ống dẫn sóng LToI với tổn hao 0,28 dB/cm ở bước sóng 1550 nm và hệ số Q của bộ cộng hưởng vòng là 1,1 triệu. Hiệu suất đạt được tương đương với các ống dẫn sóng LNoI tổn hao thấp tiên tiến nhất. Ngoài ra, chúng tôi đã nghiên cứu tính phi tuyến χ(3) của ống dẫn sóng LToI được chế tạo cho các ứng dụng phi tuyến trên chip.
Thời gian đăng bài: 20/11/2024