抽象的な：我々は、損失0.28 dB/cm、リング共振器Q値110万の1550 nm帯絶縁体型リチウムタンタル酸導波路を開発しました。χ(3)非線形性の非線形フォトニクスへの応用が研究されています。優れたχ(2)およびχ(3)非線形特性に加え、「絶縁体上」構造による強力な光閉じ込め特性を示す絶縁体上リチウムニオブ酸（LNoI）の利点は、超高速変調器や集積非線形フォトニクス用の導波路技術の飛躍的な進歩をもたらしました[1-3]。LNに加えて、リチウムタンタル酸（LT）も非線形フォトニック材料として研究されています。LTはLNと比較して光損傷閾値が高く、光透過窓が広いという特徴があります[4, 5]が、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[6, 7]。このように、LToIは高光出力非線形光子応用分野における有力な候補材料として注目されています。さらに、LToIは高速モバイルおよびワイヤレス技術に適用可能な表面弾性波（SAW）フィルタデバイスの主要材料になりつつあります。この文脈において、LToIウェハは光子応用分野でより一般的な材料となる可能性があります。しかしながら、現在までにLToIに基づく光子デバイスは、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、ごく少数しか報告されていません。本稿では、低損失LToI導波路と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)非線形特性についても示します。
要点:
• 国内の技術と成熟したプロセスを活用し、最上層の厚さが100nmから1500nmの4インチから6インチのLToIウェーハ（薄膜タンタル酸リチウムウェーハ）を提供しています。
• SINOI: 超低損失シリコン窒化物薄膜ウェーハ。
• SICOI: シリコンカーバイド光集積回路用の高純度半絶縁シリコンカーバイド薄膜基板。
• LTOI: ニオブ酸リチウム、薄膜タンタル酸リチウム ウェハーの強力な競合製品。
• LNOI：より大規模な薄膜ニオブ酸リチウム製品の量産をサポートする8インチLNOI。
絶縁体導波管の製造:本研究では、4インチLToIウェーハを使用しました。最上層LT層は、市販のSAWデバイス用42°回転YカットLT基板であり、スマートカッティングプロセスを用いて、厚さ3µmの熱酸化膜を有するSi基板に直接接合されています。図1(a)は、最上層LT層の厚さが200nmのLToIウェーハの上面図を示しています。最上層LT層の表面粗さは、原子間力顕微鏡（AFM）を用いて評価しました。
図1.(a) LToIウェーハの上面図、(b) 最上層LT層表面のAFM像、(c) 最上層LT層表面のPFM像、(d) LToI導波路の模式断面図、(e) 計算された基本TEモードプロファイル、および(f) SiO2オーバーレイヤー堆積前のLToI導波路コアのSEM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）を使用して最上層LT層の分極状態を調べました。接合プロセス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 基板を使用して、次のように導波路を製造しました。まず、LT のドライエッチング用の金属マスク層を堆積しました。次に、電子ビーム (EB) リソグラフィーを実行して、金属マスク層の上に導波路コアパターンを定義しました。次に、ドライエッチングにより EB レジスト パターンを金属マスク層に転写しました。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 導波路コアを形成しました。最後に、金属マスク層をウェット プロセスで除去し、プラズマ強化化学気相成長法を使用して SiO2 オーバーレイヤーを堆積しました。図 1 (d) は、LToI 導波路の概略断面図を示しています。コアの全高さ、プレートの高さ、およびコア幅は、それぞれ 200 nm、100 nm、および 1000 nm です。光ファイバ結合のために、コア幅は導波路エッジで 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）モードの光強度分布の計算値を示しています。図1（f）は、SiO2オーバーレイヤーを堆積する前の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。
導波管特性:まず、波長1550 nmの増幅自然放出光源からTE偏光光を様々な長さのLToI導波路に入力し、線形損失特性を評価した。伝搬損失は、各波長における導波路長と透過率の関係の傾きから求めた。図2(a)に示すように、測定された伝搬損失は、1530 nm、1550 nm、1570 nmでそれぞれ0.32 dB/cm、0.28 dB/cm、0.26 dB/cmであった。作製したLToI導波路は、最先端のLNoI導波路[10]と同等の低損失特性を示した。
次に、四光波混合過程によって生じる波長変換を通して、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12 mm長の導波路に入力しました。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パワーの増加に伴って増加しました。図2(b)の挿入図は、四光波混合の典型的な出力スペクトルを示しています。入力パワー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を持つリング共振器の透過スペクトル。(c) ギャップが 1000 nm のリング共振器の測定透過スペクトルとロレンツ近似透過スペクトル。
次に、LToIリング共振器を作製し、その特性を評価しました。図3(a)は、作製したリング共振器の光学顕微鏡像です。リング共振器は、半径100µmの曲線領域と長さ100µmの直線領域からなる「レーストラック」構造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、800nm、1000nm、1200nmでそれぞれ200nmずつ変化しています。図3(b)は各ギャップにおける透過スペクトルを示しており、ギャップ幅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、1000nmギャップで消光比が-26dBと最も高くなり、ほぼ臨界結合条件であることがわかりました。
臨界結合共振器を用いて、線形透過スペクトルをロレンツ曲線でフィッティングすることでQ値を推定し、図3(c)に示すように内部Q値は110万と算出された。我々の知る限り、これは導波路結合型LToIリング共振器の初めての実証である。特筆すべきは、我々が達成したQ値は、光ファイバ結合型LToIマイクロディスク共振器[9]の値よりも大幅に高いことである。
結論：1550 nmにおける損失が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。得られた性能は、最先端の低損失LToI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向けに、作製したLToI導波路のχ(3)非線形性を評価しました。
投稿日時: 2024年11月20日