抽象的な：我々は、0.28 dB/cmの損失と110万のリング共振器品質係数を備えた1550 nmの絶縁体ベースのタンタル酸リチウム導波路を開発しました。非線形フォトニクスにおけるχ(3) 非線形性の応用が研究されています。優れたχ(2) および χ(3) 非線形特性と、その「絶縁体オン」構造による強力な光閉じ込めを示す絶縁体上のニオブ酸リチウム (LNoI) の利点は、超高速の導波路技術の大幅な進歩につながりました。変調器と統合非線形フォトニクス [1-3]。 LN に加えて、タンタル酸リチウム (LT) も非線形フォトニック材料として研究されています。 LN と比較して、LT は、屈折率や非線形係数などの光学パラメータは LN と類似していますが、光損傷閾値が高く、光透過性の範囲が広い [4、5]。したがって、LToI は、高光パワーの非線形フォトニック アプリケーションのもう 1 つの強力な候補材料として際立っています。さらに、LToI は、高速モバイルおよびワイヤレス技術に適用できる表面弾性波 (SAW) フィルター デバイスの主要な材料になりつつあります。これに関連して、LToI ウェーハはフォトニクス用途でより一般的な材料になる可能性があります。しかし、これまでに、マイクロディスク共振器 [8] や電気光学位相シフタ [9] など、LToI に基づくフォトニックデバイスは少数しか報告されていません。この論文では、低損失 LToI 導波路とそのリング共振器への応用について紹介します。さらに、LToI 導波路の χ(3) 非線形特性も提供します。
重要なポイント:
• 国内技術と成熟したプロセスを活用し、上層の厚さが 100 nm ～ 1500 nm の範囲の 4 インチ～6 インチ LToI ウェーハ、薄膜タンタル酸リチウムウェーハを提供します。
• SINOI: 超低損失窒化ケイ素薄膜ウェーハ。
• SICOI: 炭化ケイ素フォトニック集積回路用の高純度半絶縁性炭化ケイ素薄膜基板。
• LTOI: ニオブ酸リチウム、薄膜タンタル酸リチウム ウェーハの強力な競争相手。
• LNOI: 8 インチ LNOI は、大規模な薄膜ニオブ酸リチウム製品の量産をサポートします。
絶縁体導波路の製造:この研究では、4 インチ LToI ウェーハを利用しました。最上部の LT 層は、SAW デバイス用の市販の 42 度回転 Y カット LT 基板で、スマートな切断プロセスを使用して、厚さ 3 μm の熱酸化層を備えた Si 基板に直接接合されています。図 1(a) は、最上層の LT 層の厚さが 200 nm の LToI ウェハの上面図を示しています。原子間力顕微鏡 (AFM) を使用して、最上層の LT 層の表面粗さを評価しました。
図1.(a) LToI ウェーハの上面図、(b) 上部 LT 層の表面の AFM 画像、(c) 上部 LT 層の表面の PFM 画像、(d) LToI 導波路の概略断面図、 (e) 計算された基本 TE モード プロファイル、および (f) SiO2 上層堆積前の LToI 導波路コアの SEM 画像。図1(b)に示すように、表面粗さは1nm未満であり、スクラッチラインは観察されませんでした。さらに、図 1 (c) に示すように、圧電応答力顕微鏡 (PFM) を使用して上部 LT 層の分極状態を調べました。貼り合わせ後も均一な分極が維持されていることを確認しました。
このLToI基板を用いて、以下のように導波路を作製した。まず、その後のＬＴのドライエッチングのために金属マスク層が堆積された。次に、電子ビーム (EB) リソグラフィーを実行して、メタル マスク層の上に導波路コア パターンを定義します。次に、EBレジストパターンをドライエッチングによりメタルマスク層に転写します。その後、電子サイクロトロン共鳴 (ECR) プラズマ エッチングを使用して LToI 導波路コアが形成されました。最後に、金属マスク層を湿式プロセスで除去し、プラズマ化学気相成長法を使用して SiO2 上層を堆積しました。図1(d)は、LToI導波路の概略断面図を示しています。合計のコア高さ、プレート高さ、およびコア幅は、それぞれ 200 nm、100 nm、および 1000 nm です。光ファイバ結合の導波路端ではコア幅が 3 µm まで広がることに注意してください。
図 1 (e) は、1550 nm における基本横電気 (TE) モードの計算された光強度分布を示しています。図 1 (f) は、SiO2 オーバーレイヤを堆積する前の LToI 導波路コアの走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像を示しています。
導波管の特性:まず、波長 1550 nm の増幅自然放出光源からの TE 偏光をさまざまな長さの LToI 導波路に入力して、線形損失特性を評価しました。伝播損失は、各波長における導波路長と透過率との関係の傾きから求めた。図 2 (a) に示すように、測定された伝播損失は、1530、1550、および 1570 nm でそれぞれ 0.32、0.28、および 0.26 dB/cm でした。作製された LToI 導波路は、最先端の LNoI 導波路と同等の低損失性能を示しました [10]。
次に、四光波混合プロセスによって生成される波長変換を通じてχ(3) 非線形性を評価しました。 1550.0 nmの連続波ポンプ光と1550.6 nmの信号光を長さ12 mmの導波路に入力します。図 2 (b) に示すように、位相共役 (アイドラー) 光波信号強度は入力電力の増加とともに増加しました。図 2 (b) の挿入図は、4 光波混合の典型的な出力スペクトルを示しています。入力電力と変換効率の関係から、非線形パラメータ (γ) は約 11 W^-1m と推定されました。
図3.(a) 作製したリング共振器の顕微鏡画像。 (b) さまざまなギャップパラメータによるリング共振器の透過スペクトル。 (c) ギャップ 1000 nm のリング共振器の測定され、ローレンツフィッティングされた透過スペクトル。
次に、LToIリング共振器を作製し、その特性を評価した。図3(a)に作製したリング共振器の光学顕微鏡像を示します。リング共振器は、半径 100 μm の曲線領域と長さ 100 μm の直線領域で構成される「レーストラック」構成を特徴としています。リングとバス導波路コア間のギャップ幅は、200 nm ずつ、具体的には 800、1000、1200 nm で変化します。図 3 (b) は各ギャップの透過スペクトルを示しており、ギャップ サイズによって消光比が変化することがわかります。これらのスペクトルから、1000 nm ギャップは -26 dB という最高の消光比を示すため、ほぼ臨界的な結合条件を提供すると判断しました。
臨界結合共振器を使用して、線形透過スペクトルをローレンツ曲線に当てはめることによって品質係数 (Q 係数) を推定し、図 3 (c) に示すように 110 万の内部 Q 係数を得ました。私たちの知る限り、これは導波路結合 LToI リング共振器の最初のデモンストレーションです。特に、我々が達成した Q ファクター値は、ファイバー結合 LToI マイクロディスク共振器 [9] の Q ファクター値よりも大幅に高くなっています。
結論：我々は、1550 nm での損失が 0.28 dB/cm、リング共振器の Q 値が 110 万の LToI 導波路を開発しました。得られる性能は、最先端の低損失 LNoI 導波路に匹敵します。さらに、オンチップ非線形アプリケーション用に製造された LToI 導波路の χ(3) 非線形性を調査しました。
投稿日時: 2024 年 11 月 20 日