Abstrait:Nous avons développé un guide d'ondes en tantalate de lithium à base d'isolant de 1 550 nm, présentant une perte de 0,28 dB/cm et un facteur de qualité de résonateur en anneau de 1,1 million. L'application de la non-linéarité χ(3) à la photonique non linéaire a été étudiée. Les avantages du niobate de lithium sur isolant (LNoI), qui présente d'excellentes propriétés non linéaires χ(2) et χ(3) ainsi qu'un fort confinement optique grâce à sa structure « isolant sur », ont conduit à des avancées significatives dans la technologie des guides d'ondes pour les modulateurs ultrarapides et la photonique non linéaire intégrée [1-3]. Outre le LN, le tantalate de lithium (LT) a également été étudié comme matériau photonique non linéaire. Comparé au LN, le LT présente un seuil de dommage optique plus élevé et une fenêtre de transparence optique plus large [4, 5], bien que ses paramètres optiques, tels que l'indice de réfraction et les coefficients non linéaires, soient similaires à ceux du LN [6, 7]. Ainsi, le LToI se distingue comme un autre matériau candidat solide pour les applications photoniques non linéaires à haute puissance optique. De plus, le LToI devient un matériau de premier plan pour les dispositifs de filtrage à ondes acoustiques de surface (SAW), applicables aux technologies mobiles et sans fil à haut débit. Dans ce contexte, les plaquettes LToI pourraient devenir des matériaux plus courants pour les applications photoniques. Cependant, à ce jour, seuls quelques dispositifs photoniques basés sur le LToI ont été décrits, tels que les résonateurs à microdisque [8] et les déphaseurs électro-optiques [9]. Dans cet article, nous présentons un guide d'ondes LToI à faibles pertes et son application dans un résonateur en anneau. De plus, nous fournissons les caractéristiques non linéaires χ(3) du guide d'ondes LToI.
Points clés :
• Proposant des plaquettes LToI de 4 à 6 pouces, des plaquettes de tantalate de lithium à couche mince, avec des épaisseurs de couche supérieure allant de 100 nm à 1 500 nm, utilisant une technologie nationale et des processus matures.
• SINOI : Plaquettes de couches minces en nitrure de silicium à très faible perte.
• SICOI : Substrats en couches minces de carbure de silicium semi-isolant de haute pureté pour circuits intégrés photoniques en carbure de silicium.
• LTOI : Un concurrent sérieux du niobate de lithium, les plaquettes de tantalate de lithium en couches minces.
• LNOI : LNOI de 8 pouces prenant en charge la production de masse de produits en niobate de lithium à couche mince à plus grande échelle.
Fabrication sur guides d'ondes isolants :Dans cette étude, nous avons utilisé des plaquettes LToI de 4 pouces. La couche LT supérieure est un substrat LT commercial, coupé en Y et tourné à 42° pour dispositifs SAW, directement lié à un substrat Si par une couche d'oxyde thermique de 3 µm d'épaisseur, grâce à un procédé de découpe intelligent. La figure 1(a) montre une vue de dessus de la plaquette LToI, avec une épaisseur de couche LT supérieure de 200 nm. Nous avons évalué la rugosité de surface de cette couche par microscopie à force atomique (AFM).
Figure 1.(a) Vue de dessus de la plaquette LToI, (b) Image AFM de la surface de la couche LT supérieure, (c) Image PFM de la surface de la couche LT supérieure, (d) Coupe transversale schématique du guide d'ondes LToI, (e) Profil du mode TE fondamental calculé, et (f) Image SEM du cœur du guide d'ondes LToI avant le dépôt de la surcouche de SiO2. Comme le montre la figure 1 (b), la rugosité de surface est inférieure à 1 nm et aucune ligne de rayure n'a été observée. De plus, nous avons examiné l'état de polarisation de la couche LT supérieure à l'aide d'un microscope à force de réponse piézoélectrique (PFM), comme illustré à la figure 1 (c). Nous avons confirmé que la polarisation uniforme était maintenue même après le processus de liaison.
À l'aide de ce substrat LToI, nous avons fabriqué le guide d'ondes comme suit. Tout d'abord, une couche de masque métallique a été déposée pour la gravure sèche ultérieure du LT. Ensuite, une lithographie par faisceau d'électrons (EB) a été réalisée pour définir le motif du cœur du guide d'ondes sur la couche de masque métallique. Nous avons ensuite transféré le motif de la résine EB sur la couche de masque métallique par gravure sèche. Le cœur du guide d'ondes LToI a ensuite été formé par gravure plasma par résonance cyclotronique électronique (ECR). Enfin, la couche de masque métallique a été retirée par voie humide et une surcouche de SiO2 a été déposée par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. La figure 1 (d) présente la coupe schématique du guide d'ondes LToI. La hauteur totale du cœur, la hauteur de la plaque et la largeur du cœur sont respectivement de 200 nm, 100 nm et 1 000 nm. À noter que la largeur du cœur atteint 3 µm au bord du guide d'ondes pour le couplage des fibres optiques.
La figure 1 (e) présente la distribution d'intensité optique calculée du mode électrique transverse fondamental (TE) à 1 550 nm. La figure 1 (f) montre l'image obtenue au microscope électronique à balayage (MEB) du cœur du guide d'ondes LToI avant le dépôt de la surcouche de SiO2.
Caractéristiques du guide d'ondes :Nous avons d'abord évalué les caractéristiques de perte linéaire en introduisant de la lumière polarisée TE provenant d'une source d'émission spontanée amplifiée à une longueur d'onde de 1 550 nm dans des guides d'ondes LToI de différentes longueurs. La perte de propagation a été obtenue à partir de la pente de la relation entre la longueur du guide d'ondes et la transmission à chaque longueur d'onde. Les pertes de propagation mesurées étaient respectivement de 0,32, 0,28 et 0,26 dB/cm à 1 530, 1 550 et 1 570 nm, comme le montre la figure 2 (a). Les guides d'ondes LToI fabriqués ont présenté des performances de faible perte comparables à celles des guides d'ondes LNoI de pointe [10].
Ensuite, nous avons évalué la non-linéarité χ(3) grâce à la conversion de longueur d'onde générée par un processus de mélange à quatre ondes. Nous avons introduit une lumière de pompe à onde continue à 1 550,0 nm et une lumière de signal à 1 550,6 nm dans un guide d'ondes de 12 mm de long. Comme le montre la figure 2 (b), l'intensité du signal lumineux à conjugaison de phase (idler) augmentait avec la puissance d'entrée. L'encart de la figure 2 (b) montre le spectre de sortie typique du mélange à quatre ondes. À partir de la relation entre la puissance d'entrée et le rendement de conversion, nous avons estimé le paramètre non linéaire (γ) à environ 11 W^-1m.
Figure 3.(a) Image au microscope du résonateur annulaire fabriqué. (b) Spectres de transmission du résonateur annulaire avec différents paramètres d'espacement. (c) Spectre de transmission mesuré et ajusté par Lorentz du résonateur annulaire avec un espacement de 1000 nm.
Nous avons ensuite fabriqué un résonateur annulaire LToI et évalué ses caractéristiques. La figure 3 (a) présente une image au microscope optique du résonateur annulaire fabriqué. Ce dernier présente une configuration en « hippodrome », composée d'une région courbe de 100 µm de rayon et d'une région droite de 100 µm de longueur. La largeur de l'espace entre l'anneau et le cœur du guide d'ondes bus varie par incréments de 200 nm, notamment à 800, 1 000 et 1 200 nm. La figure 3 (b) présente les spectres de transmission pour chaque espace, indiquant que le taux d'extinction varie avec la taille de l'espace. À partir de ces spectres, nous avons déterminé que l'espace de 1 000 nm offre des conditions de couplage quasi critiques, car il présente le taux d'extinction le plus élevé, soit -26 dB.
À l'aide du résonateur à couplage critique, nous avons estimé le facteur de qualité (facteur Q) en ajustant le spectre de transmission linéaire à une courbe lorentzienne, obtenant un facteur Q interne de 1,1 million, comme illustré à la figure 3 (c). À notre connaissance, il s'agit de la première démonstration d'un résonateur annulaire LToI couplé à un guide d'ondes. Il est à noter que le facteur Q obtenu est significativement supérieur à celui des résonateurs à microdisques LToI couplés à une fibre [9].
Conclusion:Nous avons développé un guide d'ondes LToI présentant une perte de 0,28 dB/cm à 1550 nm et un facteur Q de 1,1 million pour le résonateur en anneau. Les performances obtenues sont comparables à celles des guides d'ondes LNoI à faible perte de pointe. De plus, nous avons étudié la non-linéarité χ(3) du guide d'ondes LToI fabriqué pour des applications non linéaires sur puce.
Date de publication : 20 novembre 2024