Abstract:Nakahimo kami og 1550 nm insulator-based lithium tantalate waveguide nga adunay loss nga 0.28 dB/cm ug ring resonator quality factor nga 1.1 milyon. Gitun-an na ang paggamit sa χ(3) nonlinearity sa nonlinear photonics. Ang mga bentaha sa lithium niobate on insulator (LNoI), nga nagpakita og maayo kaayong χ(2) ug χ(3) nonlinear properties uban sa lig-on nga optical confinement tungod sa "insulator-on" structure niini, misangpot sa mga mahinungdanong pag-uswag sa teknolohiya sa waveguide para sa ultrafast modulators ug integrated nonlinear photonics [1-3]. Gawas sa LN, ang lithium tantalate (LT) gisusi usab isip usa ka nonlinear photonic material. Kon itandi sa LN, ang LT adunay mas taas nga optical damage threshold ug mas lapad nga optical transparency window [4, 5], bisan pa ang optical parameters niini, sama sa refractive index ug nonlinear coefficients, parehas sa LN [6, 7]. Busa, ang LToI mitumaw isip laing lig-on nga kandidato nga materyal alang sa taas nga optical power nonlinear photonic applications. Dugang pa, ang LToI nahimong pangunang materyal alang sa surface acoustic wave (SAW) filter devices, nga magamit sa high-speed mobile ug wireless nga mga teknolohiya. Niini nga konteksto, ang mga LToI wafer mahimong mas komon nga mga materyales alang sa mga photonic applications. Bisan pa, hangtod karon, pipila ra ka photonic devices nga gibase sa LToI ang gitaho, sama sa microdisk resonators [8] ug electro-optic phase shifters [9]. Niini nga papel, among gipresentar ang usa ka low-loss LToI waveguide ug ang aplikasyon niini sa usa ka ring resonator. Dugang pa, among gihatag ang χ(3) nonlinear nga mga kinaiya sa LToI waveguide.
Mga Pangunang Punto:
• Nagtanyag og 4-pulgada ngadto sa 6-pulgada nga LToI wafers, thin-film lithium tantalate wafers, nga ang gibag-on sa ibabaw nga layer gikan sa 100 nm ngadto sa 1500 nm, gamit ang lokal nga teknolohiya ug hamtong nga mga proseso.
• SINOI: Mga nipis nga film wafer nga adunay ultra-low loss nga silicon nitride.
• SICOI: Mga high-purity semi-insulating silicon carbide thin-film substrates para sa silicon carbide photonic integrated circuits.
• LTOI: Usa ka lig-on nga kakompetensya sa lithium niobate, thin-film lithium tantalate wafers.
• LNOI: 8-pulgada nga LNOI nga nagsuporta sa mass production sa mas dagkong-scale nga thin-film lithium niobate nga mga produkto.
Paggama gamit ang mga Waveguide sa Insulator:Niini nga pagtuon, migamit kami og 4-pulgada nga LToI wafers. Ang ibabaw nga LT layer usa ka komersyal nga 42° rotated Y-cut LT substrate para sa SAW devices, nga direktang gi-bond sa Si substrate nga adunay 3 µm nga gibag-on nga thermal oxide layer, nga naggamit og smart cutting process. Ang Figure 1(a) nagpakita sa ibabaw nga view sa LToI wafer, nga ang gibag-on sa ibabaw nga LT layer kay 200 nm. Among gisusi ang surface roughness sa ibabaw nga LT layer gamit ang atomic force microscopy (AFM).
Hulagway 1.(a) Talan-awon sa ibabaw sa LToI wafer, (b) AFM nga imahe sa nawong sa ibabaw nga LT layer, (c) PFM nga imahe sa nawong sa ibabaw nga LT layer, (d) Schematic cross-section sa LToI waveguide, (e) Gikalkulo nga fundamental TE mode profile, ug (f) SEM nga imahe sa LToI waveguide core sa wala pa ang SiO2 overlayer deposition. Sama sa gipakita sa Figure 1 (b), ang surface roughness ubos sa 1 nm, ug walay scratch lines nga naobserbahan. Dugang pa, among gisusi ang polarization state sa ibabaw nga LT layer gamit ang piezoelectric response force microscopy (PFM), sama sa gipakita sa Figure 1 (c). Gikumpirma namo nga ang uniporme nga polarization gipadayon bisan human sa proseso sa bonding.
Gamit kining LToI substrate, among gihimo ang waveguide sama sa mosunod. Una, usa ka metal mask layer ang gideposito para sa sunod nga dry etching sa LT. Dayon, gihimo ang electron beam (EB) lithography aron matino ang waveguide core pattern sa ibabaw sa metal mask layer. Sunod, among gibalhin ang EB resist pattern ngadto sa metal mask layer pinaagi sa dry etching. Pagkahuman, ang LToI waveguide core giporma gamit ang electron cyclotron resonance (ECR) plasma etching. Sa katapusan, ang metal mask layer gikuha pinaagi sa wet process, ug usa ka SiO2 overlayer ang gideposito gamit ang plasma-enhanced chemical vapor deposition. Ang Figure 1 (d) nagpakita sa schematic cross-section sa LToI waveguide. Ang kinatibuk-ang gitas-on sa core, gitas-on sa plate, ug gilapdon sa core kay 200 nm, 100 nm, ug 1000 nm, matag usa. Timan-i nga ang gilapdon sa core molapad ngadto sa 3 µm sa ngilit sa waveguide para sa optical fiber coupling.
Ang Figure 1 (e) nagpakita sa gikalkulo nga optical intensity distribution sa fundamental transverse electric (TE) mode sa 1550 nm. Ang Figure 1 (f) nagpakita sa scanning electron microscope (SEM) nga imahe sa LToI waveguide core sa wala pa ang deposition sa SiO2 overlayer.
Mga Kinaiya sa Waveguide:Una namong gisusi ang linear loss characteristics pinaagi sa pag-input sa TE-polarized light gikan sa 1550 nm wavelength amplified spontaneous emission source ngadto sa LToI waveguides nga lain-laing gitas-on. Ang propagation loss nakuha gikan sa slope sa relasyon tali sa waveguide length ug transmission sa matag wavelength. Ang nasukod nga propagation losses kay 0.32, 0.28, ug 0.26 dB/cm sa 1530, 1550, ug 1570 nm, matag usa, sama sa gipakita sa Figure 2 (a). Ang gihimo nga LToI waveguides nagpakita og ikatandi nga low-loss performance sa state-of-the-art nga LNoI waveguides [10].
Sunod, among gisusi ang χ(3) nonlinearity pinaagi sa wavelength conversion nga namugna sa usa ka four-wave mixing process. Nag-input kami og continuous wave pump light sa 1550.0 nm ug usa ka signal light sa 1550.6 nm ngadto sa usa ka 12 mm nga gitas-on nga waveguide. Sama sa gipakita sa Figure 2 (b), ang phase-conjugate (idler) light wave signal intensity misaka uban sa pagtaas sa input power. Ang inset sa Figure 2 (b) nagpakita sa tipikal nga output spectrum sa four-wave mixing. Gikan sa relasyon tali sa input power ug conversion efficiency, among gibanabana nga ang nonlinear parameter (γ) gibana-bana nga 11 W^-1m.
Hulagway 3.(a) Hulagway sa mikroskopyo sa gihimong ring resonator. (b) Transmission spectra sa ring resonator nga adunay lain-laing mga parameter sa gap. (c) Gisukod ug Lorentzian-fitted transmission spectrum sa ring resonator nga adunay gap nga 1000 nm.
Sunod, naghimo kami og LToI ring resonator ug gisusi ang mga kinaiya niini. Ang Figure 3 (a) nagpakita sa optical microscope image sa gihimo nga ring resonator. Ang ring resonator adunay "racetrack" configuration, nga gilangkoban sa usa ka kurbadong rehiyon nga adunay radius nga 100 µm ug usa ka tul-id nga rehiyon nga 100 µm ang gitas-on. Ang gilapdon sa gintang tali sa singsing ug sa bus waveguide core managlahi sa mga increment nga 200 nm, ilabi na sa 800, 1000, ug 1200 nm. Ang Figure 3 (b) nagpakita sa transmission spectra para sa matag gintang, nga nagpakita nga ang extinction ratio mausab uban sa gidak-on sa gintang. Gikan niining mga spectra, among natino nga ang 1000 nm gap naghatag og halos kritikal nga mga kondisyon sa coupling, tungod kay kini nagpakita sa pinakataas nga extinction ratio nga -26 dB.
Gamit ang critically coupled resonator, among gibanabana ang quality factor (Q factor) pinaagi sa pag-fit sa linear transmission spectrum sa usa ka Lorentzian curve, nga nakakuha og internal Q factor nga 1.1 milyon, sama sa gipakita sa Figure 3 (c). Sa among nahibaloan, kini ang unang demonstrasyon sa usa ka waveguide-coupled LToI ring resonator. Talalupangdon nga ang Q factor value nga among nakab-ot mas taas kay sa fiber-coupled LToI microdisk resonators [9].
Konklusyon:Nakahimo mig LToI waveguide nga may loss nga 0.28 dB/cm sa 1550 nm ug ring resonator Q factor nga 1.1 milyon. Ang performance nga nakuha ikatandi sa state-of-the-art low-loss LNoI waveguides. Dugang pa, among gisusi ang χ(3) nonlinearity sa ginama nga LToI waveguide para sa on-chip nonlinear applications.
Oras sa pag-post: Nob-20-2024