Wafer PIC de tantalate de lithium de 46 pouces -- guide d'onde de tantalate de lithium sur isolant à faible perte pour la photonique non linéaire sur puce

Wafer PIC de tantalate de lithium de 4 pouces et 6 pouces -- Guide d'onde de tantalate de lithium sur isolant à faible perte pour la photonique non linéaire sur puce

Résumé: Nous avons développé un guide d'onde au tantalate de lithium sur un isolant de 1550 nm avec une perte de 0,28 dB/cm et un facteur de qualité de résonance toroïdale de 1,1 million.L'application de la non-linéarité dans la photonique non linéaire est étudiée.

1Je vous présente.

Waveguide technology based on lithium niobate insulators (LNoI) has made great progress in the field of ultra-high speed modulators and on-chip nonlinear photonics due to their favorable χ(2) and χ(3) nonlinear properties and the strong optical limiting effect generated by the "on-insulator" structure [1-3]En plus du LN, le tantalate de lithium (LT) a également été étudié comme matériau photonique non linéaire.LT présente un seuil de dommages optiques plus élevé et une fenêtre optiquement transparente plus large [4]., 5], bien que ses paramètres optiques soient similaires à ceux de LN, tels que l'indice de réfraction et le coefficient non linéaire [6,7].LToI est donc un autre candidat de matériau fort pour les applications de photonique non linéaire à haute puissance optiqueEn outre, le LToI est en train de devenir un matériau majeur pour les pièces de filtres à ondes acoustiques de surface (SAW) destinées aux applications mobiles et sans fil à grande vitesse.Les puces LToI peuvent devenir un matériau plus courant pour les applications photoniquesCependant, seuls quelques dispositifs photoniques basés sur LTOI ont été rapportés à ce jour, tels que les résonateurs à microdisque [8] et les phase-shifters électro-optiques [9].Nous introduisons un guide d'onde LToI à faible perte et son application dans les résonateurs à anneaux. En outre, la nonlinéarité χ(3) du guide d'onde LToI est fournie.

Le point fort

Fournir 4 "-6"LTOIplaquette, plaquette au tantalate de lithium à film mince, épaisseur supérieure de 100 nm à 1500 nm, technologie nationale, procédé mature

Autres produits;

LTOI; le plus puissant concurrent du niobate de lithium, les plaquettes de tantalate de lithium à film mince

Je sais pasLe LNOI de 8 pouces permet la production de masse de films minces de niobate de lithium à plus grande échelle.

Fabrication sur des guides d'onde isolants

Dans cette étude, nous avons utilisé des plaquettes LTOI de 4 pouces.La couche LT supérieure est un substrat LT en coupe Y rotative à 42° pour les appareils SAW qui se lie directement à un substrat Si avec une couche d'oxyde thermique d'une épaisseur de 3 μm et effectue un processus de coupe intelligent. La figure 1 (a) montre la vue supérieure de la plaque LToI, où la couche LT supérieure a une épaisseur de 200 nm. Nous avons évalué la rugosité de la surface de la couche LT supérieure à l'aide de la microscopie par force atomique (AFM).

Figure 1. a) vue supérieure de la plaque LToI, b) image AFM de la surface supérieure de la couche LT, c) image PFM de la surface supérieure de la couche LT, d) section transversale schématique du guide d'onde LToI,(e) schéma calculé du mode TE de base, et (f) image SEM du noyau du guide d'onde LToI avant le dépôt du revêtement SiO2.

Comme indiqué à la figure 1 b), la rugosité de la surface est inférieure à 1 nm et aucune rayure n'est observée.nous avons examiné la polarisation de la couche LT supérieure à l'aide d'un microscope de force de réponse piézoélectrique (PFM)Même après le processus de liaison, nous avons confirmé que la polarisation uniforme était maintenue.

En utilisant leLTOIOn fabrique le guide d'onde comme suit: on dépose une couche de masque métallique pour une gravure à sec.Nous effectuons ensuite la lithographie de faisceau d'électrons (EB) pour définir le modèle de noyau de guidage d'ondes sur le dessus de la couche de masque métalliqueEnsuite, nous avons transféré le motif de résistance EB à la couche de masque métallique par gravure à sec. Après cela, le noyau de guide d'onde LToI est formé par gravure au plasma par résonance cyclotronique d'électrons (ECR).Nous avons retiré la couche de masque métallique par un procédé humide et déposé la couche de couverture de SiO2 par dépôt de vapeur chimique améliorée par plasmaLa figure 1 d) montre la section schématique du guide d'onde LToI. La hauteur totale du noyau, la hauteur de la plaque et la largeur du noyau sont respectivement de 200, 100 et 1000 nm.Notez que pour faciliter le couplage de fibres, la largeur du noyau est étendue à 3 μm au bord du guide d'onde. La figure 1 e) montre la distribution calculée de l'intensité de l'onde lumineuse pour le mode de base du champ électrique transversal (TE) à 1550 nm.La figure 1 (f) montre une image au microscope électronique de balayage (SEM) du noyau du guide d'onde LToI avant le dépôt du revêtement SiO2..

Caractéristique du guide d'onde

Tout d'abord, nous évaluons les propriétés de perte linéaire en alimentant la lumière polarisée TE d'une source lumineuse auto-émettrice amplifiée à 1550 nm dans des guides d'onde LToI de longueurs variables.La perte de propagation est obtenue à partir de la pente de la relation entre la longueur du guide d'onde et la transmission de chaque longueur d'ondeLes pertes de propagation mesurées sont de 0.32, 0,28 et 0,26 dB/cm à 1530, 1550 et 1570 nm, respectivement, comme indiqué à la figure 2 a).Les guides d'ondes LToI fabriqués présentent des performances de perte relativement faibles, similaires aux guides d'ondes LNOI les plus avancés [10].

On évalue ensuite la non-linéarité χ(3) par la conversion de la longueur d'onde générée par le processus de mélange à quatre ondes.

Nous avons alimenté une onde lumineuse à pompe à ondes continues de 1550,0 nm et une onde lumineuse de signal de 1550,6 nm dans un guide d'onde de 12 mm de long.l'intensité du signal d'onde lumineuse conjuguée en phase (inactive) augmente avec l'augmentation de la puissance d'entréeL'illustration de la figure 2 b) montre un spectre de sortie typique pour le mélange à quatre ondes.nous pouvons estimer le paramètre non linéaire (γ) à environ 11 W-1m

Figure 3. a) Image au microscope du résonateur à anneaux fabriqué. b) Spéctrum de transmission d'un résonateur à anneaux avec divers paramètres d'écart.(c) Mesures d'un résonateur à anneau avec un écart de 1000 nm et spectre de transmission Lorentzian

Appliqué aux résonateurs à anneau

Ensuite, nous avons fabriqué un résonateur d'anneau LTOI et évalué ses caractéristiques.Le résonateur à anneaux a une configuration de " piste " composée d'une zone courbe d'un rayon de 100 μm et d'une zone droite d'une longueur de 100 μmLa largeur de l'écart entre l'anneau et le noyau du guide d'onde du bus varie en incréments de 200 nm, c'est-à-dire 800, 1000 et 1200 nm. La figure 3 b) montre le spectre de transmission pour chaque écart,montrant que le taux d'extinction varie avec l'écartÀ partir de ces spectres, nous avons déterminé que l'écart de 1000 nm fournit des conditions d'accouplement presque critiques, car il a un taux d'extinction maximal de -26 dB.Nous estimons le facteur de qualité (facteur Q) en ajustant le spectre de transmission linéaire à travers LorentzianPour ce qui est de la résonance d'un anneau LToI couplée à un guide d'onde, il s'agit, à notre connaissance, de la première démonstration.la valeur du facteur Q obtenue est beaucoup plus élevée que celle du résonateur de microdisque LToI couplé à fibre [9]

Conclusion

Nous avons développé un guide d'onde LTOI avec une perte de 0,28 dB/cm à 1550 nm et une valeur Q du résonateur d'anneau de 1,1 million.

Les performances obtenues sont comparables à celles des guides d'ondes à faible perte LNoI les plus avancés.La non-linéarité des guides d'onde LTOI fabriqués dans les applications non linéaires sur puce est également étudiée..

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