Abstrait:Nous avons développé un guide d'ondes au tantalate de lithium à base d'isolant de 1 550 nm avec 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) 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 dû à sa structure « sur isolant », ont conduit à des progrès significatifs dans la technologie des guides d'ondes pour les applications ultrarapides. modulateurs et photonique non linéaire intégrée [1-3]. Outre le LN, le tantalate de lithium (LT) a également été étudié en tant que matériau photonique non linéaire. Par rapport au LN, le LT a 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, LToI se présente comme un autre matériau candidat puissant pour les applications photoniques non linéaires à haute puissance optique. De plus, le LToI devient un matériau principal pour les dispositifs de filtrage des ondes acoustiques de surface (SAW), applicables dans les 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 LToI ont été rapportés, tels que les résonateurs à microdisques [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 tranches LToI de 4 à 6 pouces, des tranches 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 à couches minces de nitrure de silicium à très faibles pertes.
• SICOI : substrats en couches minces semi-isolants en carbure de silicium de haute pureté pour circuits intégrés photoniques en carbure de silicium.
• LTOI : un concurrent sérieux des tranches de niobate de lithium et de tantalate de lithium en couches minces.
• LNOI : LNOI de 8 pouces permettant la production en série 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 supérieure LT est un substrat LT commercial tourné à 42°, découpé en Y, pour dispositifs SAW, qui est directement lié à un substrat en Si avec une couche d'oxyde thermique de 3 µm d'épaisseur, en utilisant un processus de découpe intelligent. La figure 1 (a) montre une vue de dessus de la plaquette LToI, avec une épaisseur de couche supérieure LT de 200 nm. Nous avons évalué la rugosité de surface de la couche supérieure LT par microscopie à force atomique (AFM).
Graphique 1.(a) Vue de dessus de la plaquette LToI, (b) Image AFM de la surface de la couche supérieure LT, (c) Image PFM de la surface de la couche supérieure LT, (d) Coupe transversale schématique du guide d'ondes LToI, (e) Profil de mode TE fondamental calculé et (f) Image SEM du noyau du guide d'ondes LToI avant le dépôt de la surcouche de SiO2. Comme le montre la figure 1 (b), la rugosité de la 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 supérieure LT à l'aide de la microscopie à force de réponse piézoélectrique (PFM), comme le montre la figure 1 (c). Nous avons confirmé qu'une polarisation uniforme était maintenue même après le processus de liaison.
En utilisant ce substrat LToI, nous avons fabriqué le guide d'ondes comme suit. Tout d’abord, une couche de masque métallique a été déposée pour une gravure sèche ultérieure du LT. Ensuite, une lithographie par faisceau d’électrons (EB) a été réalisée pour définir le motif central du guide d’ondes au-dessus de la couche de masque métallique. Ensuite, nous avons transféré le motif de résistance EB sur la couche de masque métallique par gravure sèche. Ensuite, le noyau du guide d’ondes LToI a été formé par gravure au plasma par résonance cyclotronique électronique (ECR). Enfin, la couche du masque métallique a été retirée par un procédé humide et une surcouche de SiO2 a été déposée par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. La figure 1 (d) montre la coupe schématique du guide d'ondes LToI. La hauteur totale du noyau, la hauteur de la plaque et la largeur du noyau sont respectivement de 200 nm, 100 nm et 1 000 nm. Notez que la largeur du noyau s'étend jusqu'à 3 µm au bord du guide d'ondes pour le couplage de la fibre optique.
La figure 1 (e) affiche la distribution calculée de l'intensité optique du mode électrique transversal fondamental (TE) à 1550 nm. La figure 1 (f) montre l'image au microscope électronique à balayage (MEB) du noyau 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 entrant de la lumière polarisée TE provenant d'une source d'émission spontanée amplifiée de 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'onde 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 présentaient 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 entrons une lumière de pompe à onde continue à 1550,0 nm et un signal lumineux à 1550,6 nm dans un guide d'ondes de 12 mm de long. Comme le montre la figure 2 (b), l'intensité du signal d'onde lumineuse à conjugaison de phase (vide) augmentait avec l'augmentation de la puissance d'entrée. L'encadré 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 l'efficacité de conversion, nous avons estimé le paramètre non linéaire (γ) à environ 11 W ^ -1 m.
Graphique 3.(a) Image au microscope du résonateur en anneau fabriqué. (b) Spectres de transmission du résonateur en anneau avec divers paramètres d'intervalle. (c) Spectre de transmission mesuré et ajusté par Lorentzian du résonateur en anneau avec un écart de 1 000 nm.
Ensuite, nous avons fabriqué un résonateur en anneau LToI et évalué ses caractéristiques. La figure 3 (a) montre l'image au microscope optique du résonateur en anneau fabriqué. Le résonateur en anneau présente une configuration « piste de course », composée d'une région incurvée d'un rayon de 100 µm et d'une région droite de 100 µm de longueur. La largeur de l'espace entre l'anneau et le noyau du guide d'ondes du bus varie par incréments de 200 nm, en particulier à 800, 1 000 et 1 200 nm. La figure 3 (b) affiche les spectres de transmission pour chaque espace, indiquant que le taux d'extinction change avec la taille de l'espace. À partir de ces spectres, nous avons déterminé que l’intervalle de 1 000 nm fournit des conditions de couplage presque 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 avec une courbe lorentzienne, obtenant ainsi un facteur Q interne de 1, 1 million, comme le montre la figure 3 (c). À notre connaissance, il s’agit de la première démonstration d’un résonateur en anneau LToI couplé à un guide d’ondes. Notamment, la valeur du facteur Q que nous avons obtenue est nettement supérieure à celle des résonateurs à microdisques LToI couplés à des fibres [9].
Conclusion:Nous avons développé un guide d'ondes LToI avec une perte de 0,28 dB/cm à 1 550 nm et un facteur Q de résonateur en anneau de 1,1 million. Les performances obtenues sont comparables à celles des guides d'ondes LNoI à faibles pertes de pointe. De plus, nous avons étudié la non-linéarité χ (3) du guide d'ondes LToI fabriqué pour les applications non linéaires sur puce.
Heure de publication : 20 novembre 2024