Abstract:Nakahimo kami og 1550 nm insulator-based lithium tantalate waveguide nga adunay pagkawala sa 0.28 dB/cm ug usa ka ring resonator quality factor nga 1.1 million. Ang paggamit sa χ(3) nonlinearity sa nonlinear photonics gitun-an. Ang mga bentaha sa lithium niobate sa insulator (LNoI), nga nagpakita sa maayo kaayo nga χ(2) ug χ(3) nonlinear nga mga kabtangan uban ang lig-on nga optical confinement tungod sa iyang "insulator-on" nga istruktura, misangpot sa mahinungdanong pag-uswag sa teknolohiya sa waveguide alang sa ultrafast modulators ug integrated nonlinear photonics [1-3]. Dugang sa LN, ang lithium tantalate (LT) gisusi usab isip nonlinear photonic material. Kung itandi sa LN, ang LT adunay mas taas nga optical damage threshold ug mas lapad nga optical transparency window [4, 5], bisan kung ang mga optical parameter niini, sama sa refractive index ug nonlinear coefficients, susama sa LN [6, 7]. Sa ingon, ang LToI nagbarug nga lain nga lig-on nga materyal nga kandidato alang sa taas nga optical power nonlinear photonic nga aplikasyon. Dugang pa, ang LToI nahimong panguna nga materyal para sa mga aparato sa pagsala sa surface acoustic wave (SAW), nga magamit sa high-speed nga mobile ug wireless nga mga teknolohiya. Niini nga konteksto, ang mga wafer sa LToI mahimong mas komon nga mga materyales alang sa photonic nga mga aplikasyon. Bisan pa, hangtod karon, pipila ra ka mga photonic nga aparato nga gibase sa LToI ang gitaho, sama sa microdisk resonator [8] ug electro-optic phase shifters [9]. Niini nga papel, among gipresentar ang usa ka low-loss LToI waveguide ug ang paggamit niini sa usa ka ring resonator. Dugang pa, naghatag kami sa χ(3) nonlinear nga mga kinaiya sa LToI waveguide.
Pangunang mga Punto:
• Pagtanyag sa 4-pulgada hangtod sa 6-pulgada nga LToI nga mga wafer, manipis nga pelikula nga lithium tantalate nga mga wafer, nga adunay mga gibag-on sa taas nga layer gikan sa 100 nm hangtod 1500 nm, nga gigamit ang domestic nga teknolohiya ug mga hamtong nga proseso.
• SINOI: Ultra-low loss silicon nitride thin-film wafers.
• SICOI: 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 mass-scale thin-film lithium niobate nga mga produkto.
Paggama sa Insulator Waveguides:Sa kini nga pagtuon, gigamit namon ang 4-pulgada nga mga wafer sa LToI. Ang ibabaw nga LT layer kay usa ka commercial 42° rotated Y-cut LT substrate para sa SAW devices, nga direktang gigapos sa usa ka Si substrate nga adunay 3 µm nga baga nga thermal oxide layer, nga naggamit ug smart cutting process. Gipakita sa Figure 1(a) ang taas nga pagtan-aw sa LToI wafer, nga adunay gibag-on nga layer sa LT nga 200 nm. Among gi-assess ang surface roughness sa ibabaw nga LT layer gamit ang atomic force microscopy (AFM).
Hulagway 1.(a) Top view sa LToI wafer, (b) AFM nga hulagway sa ibabaw sa ibabaw nga LT layer, (c) PFM nga hulagway sa nawong sa ibabaw nga LT layer, (d) Schematic cross-section sa LToI waveguide, (e) Kalkulado ang batakang 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 kabangis sa nawong ubos sa 1 nm, ug walay mga scratch lines nga naobserbahan. Dugang pa, among gisusi ang polarization state sa top LT layer gamit ang piezoelectric response force microscopy (PFM), nga gihulagway sa Figure 1 (c). Gikumpirma namon nga ang uniporme nga polariseysyon gipadayon bisan pagkahuman sa proseso sa pagbugkos.
Gigamit kini nga substrate sa LToI, gihimo namon ang waveguide ingon sa mosunod. Una, usa ka metal nga maskara nga layer ang gideposito alang sa sunod nga uga nga pagkulit sa LT. Dayon, ang electron beam (EB) lithography gihimo aron ipasabot ang waveguide core pattern sa ibabaw sa metal mask layer. Sunod, gibalhin namo ang EB resist pattern sa metal mask layer pinaagi sa dry etching. Pagkahuman, ang LToI waveguide core naporma gamit ang electron cyclotron resonance (ECR) plasma etching. Sa katapusan, ang metal mask layer gikuha pinaagi sa usa ka basa nga proseso, ug usa ka SiO2 overlayer ang gideposito gamit ang plasma-enhanced chemical vapor deposition. Ang Figure 1 (d) nagpakita sa eskematiko nga cross-section sa LToI waveguide. Ang kinatibuk-ang gitas-on sa kinauyokan, gitas-on sa plato, ug gilapdon sa kinauyokan mao ang 200 nm, 100 nm, ug 1000 nm, matag usa. Timan-i nga ang kinauyokan nga gilapdon molapad ngadto sa 3 µm sa waveguide edge para sa optical fiber coupling.
Ang Figure 1 (e) nagpakita sa kalkulado nga optical intensity distribution sa basic transverse electric (TE) mode sa 1550 nm. Ang Figure 1 (f) nagpakita sa scanning electron microscope (SEM) nga hulagway sa LToI waveguide core sa wala pa ang deposition sa SiO2 overlayer.
Mga Kinaiya sa Waveguide:Una namong gisusi ang linear loss nga mga kinaiya pinaagi sa pag-input sa TE-polarized nga kahayag gikan sa usa ka 1550 nm wavelength nga gipadako ang kusog nga emission source ngadto sa LToI waveguides nga lainlaig gitas-on. Ang pagkawala sa pagpadaghan nakuha gikan sa bakilid sa relasyon tali sa gitas-on sa waveguide ug transmission sa matag wavelength. Ang gisukod nga pagkawala sa pagpadaghan mao ang 0.32, 0.28, ug 0.26 dB/cm sa 1530, 1550, ug 1570 nm, matag usa, ingon sa gipakita sa Figure 2 (a). Ang hinimo nga mga waveguides sa LToI nagpakita sa ikatandi nga ubos nga pagkawala sa performance sa state-of-the-art nga LNoI waveguides [10].
Sunod, among gisusi ang χ(3) nonlinearity pinaagi sa wavelength nga pagkakabig nga namugna pinaagi sa upat ka wave nga proseso sa pagsagol. Nag-input kami og padayon nga wave pump light sa 1550.0 nm ug signal light sa 1550.6 nm ngadto sa 12 mm long waveguide. Sama sa gipakita sa Figure 2 (b), ang phase-conjugate (idler) light wave signal intensity misaka uban sa pagdugang sa input power. Ang inset sa Figure 2 (b) nagpakita sa tipikal nga output spectrum sa upat ka wave nga pagsagol. Gikan sa relasyon tali sa input power ug conversion efficiency, among gibanabana ang nonlinear parameter (γ) nga gibana-bana nga 11 W^-1m.
Hulagway 3.(a) Imahe sa mikroskopyo sa hinimo nga singsing nga resonator. (b) Transmission spectra sa ring resonator nga adunay lain-laing mga parameter sa gintang. (c) Gisukod ug Lorentzian-fitted transmission spectrum sa ring resonator nga adunay gintang nga 1000 nm.
Sunod, naghimo kami usa ka LToI ring resonator ug gisusi ang mga kinaiya niini. Figure 3 (a) nagpakita sa optical mikroskopyo larawan sa fabricated singsing resonator. Ang ring resonator adunay usa ka "racetrack" configuration, nga naglangkob sa usa ka curved nga 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 nagkalainlain sa mga pag-uswag sa 200 nm, ilabi na sa 800, 1000, ug 1200 nm. Ang Figure 3 (b) nagpakita sa transmission spectra alang sa matag gintang, nga nagpakita nga ang extinction ratio nag-usab sa gidak-on sa gintang. Gikan sa kini nga spectra, among nahibal-an nga ang 1000 nm gap naghatag hapit kritikal nga mga kondisyon sa pagdugtong, tungod kay kini nagpakita sa labing taas nga ratio sa pagkapuo nga -26 dB.
Gamit ang kritikal nga kauban nga resonator, gibanabana namon ang kalidad nga hinungdan (Q factor) pinaagi sa pagpahiangay sa linear transmission spectrum nga adunay usa ka Lorentzian curve, nakakuha usa ka internal nga Q factor nga 1.1 milyon, ingon sa gipakita sa Figure 3 (c). Sa among nahibal-an, kini ang una nga pagpakita sa usa ka waveguide-coupled LToI ring resonator. Ilabi na, ang Q factor value nga atong nakab-ot mas taas kay sa fiber-coupled LToI microdisk resonator [9].
Panapos:Naghimo kami og LToI waveguide nga adunay pagkawala sa 0.28 dB/cm sa 1550 nm ug usa ka ring resonator Q factor nga 1.1 milyon. Ang performance nga nakuha kay ikatandi sa state-of-the-art nga low-loss LNoI waveguides. Dugang pa, among gisusi ang χ(3) nonlinearity sa gigama nga LToI waveguide para sa on-chip nonlinear nga mga aplikasyon.
Panahon sa pag-post: Nob-20-2024