Abstrait:Nous avons développé un guide d'ondes en tantalate de lithium sur isolant fonctionnant à 1550 nm, présentant une perte de 0,28 dB/cm et un facteur de qualité de résonateur annulaire de 1,1 million. L'application de la non-linéarité χ(3) en 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 isolant », ont permis des avancées significatives dans la technologie des guides d'ondes pour les modulateurs ultrarapides et la photonique non linéaire intégrée [1-3]. Outre le niobate de lithium (LN), le tantalate de lithium (LT) a également été étudié comme matériau photonique non linéaire. Comparé au LN, le LT possède un seuil d'endommagement 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 matériau candidat prometteur pour les applications photoniques non linéaires de haute puissance optique. De plus, le LToI s'impose comme un matériau de choix pour les filtres à ondes acoustiques de surface (SAW), utilisés dans les technologies mobiles et sans fil à haut débit. Dans ce contexte, les plaquettes de 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 annulaire. Nous fournissons également les caractéristiques non linéaires χ(3) de ce guide d'ondes.
Points clés :
• Nous proposons des plaquettes LToI de 4 à 6 pouces, des plaquettes de tantalate de lithium en couches minces, avec des épaisseurs de couche supérieure allant de 100 nm à 1500 nm, utilisant une technologie nationale et des procédés éprouvés.
• SINOI : Plaquettes de nitrure de silicium à couches minces à très faibles pertes.
• 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 pour le niobate de lithium et les plaquettes de tantalate de lithium en couches minces.
• LNOI : LNOI de 8 pouces prenant en charge la production en série de produits en niobate de lithium en couches minces 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, taillé en Y et pivoté de 42°, destiné aux dispositifs SAW. Ce substrat est directement collé à un substrat de silicium recouvert d'une couche d'oxyde thermique de 3 µm d'épaisseur, grâce à un procédé de découpe optimisé. La figure 1(a) présente une vue de dessus de la plaquette LToI, la couche LT supérieure ayant une épaisseur 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 schématique du guide d'ondes LToI, (e) profil calculé du mode TE fondamental et (f) image MEB du cœur du guide d'ondes LToI avant le dépôt de la couche de SiO₂. Comme le montre la figure 1 (b), la rugosité de surface est inférieure à 1 nm et aucune rayure n'a été observée. De plus, nous avons examiné l'état de polarisation de la couche LT supérieure par microscopie à force de réponse piézoélectrique (PFM), comme illustré sur la figure 1 (c). Nous avons confirmé le maintien d'une polarisation uniforme même après le processus de collage.
À partir de ce substrat LToI, nous avons fabriqué le guide d'ondes comme suit. Tout d'abord, une couche de masque métallique a été déposée en vue de la gravure sèche ultérieure du substrat LToI. 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. Puis, le motif de résine EB a été transféré sur la couche de masque métallique par gravure sèche. Le cœur du guide d'ondes LToI a ensuite été formé par gravure plasma à résonance cyclotronique électronique (ECR). Enfin, la couche de masque métallique a été retirée par voie humide, et une couche de SiO₂ a été déposée par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD). La figure 1(d) présente la section transversale 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 1000 nm. Il est à noter que la largeur du cœur atteint 3 µm au bord du guide d'ondes pour le couplage avec la fibre optique.
La figure 1 (e) présente la distribution d'intensité optique calculée du mode transverse électrique (TE) fondamental à 1550 nm. La figure 1 (f) montre l'image au microscope électronique à balayage (MEB) du cœur du guide d'ondes LToI avant le dépôt de la couche de SiO2.
Caractéristiques du guide d'ondes :Nous avons d'abord évalué les caractéristiques de pertes linéaires en injectant de la lumière polarisée TE, provenant d'une source d'émission spontanée amplifiée (AES) de longueur d'onde 1550 nm, dans des guides d'ondes LToI de différentes longueurs. Les pertes de propagation ont été obtenues à partir de la pente de la courbe de transmission en fonction de la longueur du guide d'ondes à chaque longueur d'onde. Les pertes de propagation mesurées étaient de 0,32, 0,28 et 0,26 dB/cm à 1530, 1550 et 1570 nm, respectivement, comme illustré sur la figure 2(a). Les guides d'ondes LToI fabriqués ont présenté des performances en matière de faibles pertes comparables à celles des guides d'ondes LNoI de pointe [10].
Nous avons ensuite évalué la non-linéarité χ(3) par la conversion de longueur d'onde générée par un processus de mélange à quatre ondes. Nous avons injecté une lumière de pompe continue à 1550,0 nm et une lumière de signal à 1550,6 nm dans un guide d'ondes de 12 mm de long. Comme illustré sur la figure 2(b), l'intensité du signal de l'onde lumineuse conjuguée en phase (onde complémentaire) augmente avec la puissance d'entrée. L'encart de la figure 2(b) présente 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 microscopique du résonateur annulaire fabriqué. (b) Spectres de transmission du résonateur annulaire pour différentes valeurs de l'entrefer. (c) Spectre de transmission mesuré et ajusté par une fonction lorentzienne du résonateur annulaire pour un entrefer de 1000 nm.
Nous avons ensuite fabriqué un résonateur annulaire LToI et évalué ses caractéristiques. La figure 3 (a) présente l'image au microscope optique du résonateur annulaire. Ce dernier adopte une configuration en forme de « piste de course », composée d'une région courbe de 100 µm de rayon et d'une région rectiligne de 100 µm de longueur. L'espacement entre l'anneau et le cœur du guide d'ondes varie par incréments de 200 nm, et plus précisément à 800, 1000 et 1200 nm. La figure 3 (b) illustre les spectres de transmission pour chaque espacement, montrant que le taux d'extinction varie en fonction de la largeur de l'espacement. À partir de ces spectres, nous avons déterminé que l'espacement de 1000 nm offre des conditions de couplage quasi critiques, puisqu'il présente le taux d'extinction le plus élevé, soit -26 dB.
En utilisant le 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 ainsi un facteur Q interne de 1,1 million, comme illustré sur 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. Notamment, la valeur du facteur Q obtenue est nettement supérieure à celle des résonateurs à microdisque LToI couplés à une fibre optique [9].
Conclusion:Nous avons développé un guide d'ondes LToI présentant une perte de 0,28 dB/cm à 1550 nm et un facteur de qualité (Q) de 1,1 million pour le résonateur annulaire. Les performances obtenues sont comparables à celles des guides d'ondes LNoI à faibles pertes les plus performants. De plus, nous avons étudié la non-linéarité χ(3) du guide d'ondes LToI fabriqué en vue d'applications non linéaires sur puce.
Date de publication : 20 novembre 2024