摘要：我们开发了一种 1550 nm 的绝缘体上钽酸锂波导，损耗为 0.28 dB/cm，环形谐振器品质因数为 110 万。研究了 χ(3) 非线性在非线性光子学中的应用。
介绍
由于铌酸锂绝缘体 (LNoI) 具有良好的 χ(2) 和 χ(3) 非线性特性以及“绝缘体上”结构产生的强光学限制作用，基于铌酸锂绝缘体 (LNoI) 的波导技术在超高速调制器和片上非线性光子学领域取得了长足进步 [1-3]。除 LN 外，钽酸锂 (LT) 也已被研究用作非线性光子材料。与 LN 相比，LT 具有更高的光学损伤阈值和更宽的光学透明窗口 [4, 5]，尽管它的光学参数与 LN 相似，例如折射率和非线性系数 [6,7]。因此，LToI 是高光功率非线性光子学应用的另一种强大材料候选者。此外，LToI 正在成为表面声波 (SAW) 滤波器件的主要材料，可用于高速移动和无线应用。在此背景下，LToI 晶片可能成为光子应用更常见的材料。然而，迄今为止，只有少数基于 LToI 的光子器件被报道，例如微盘谐振器 [8] 和电光移相器 [9]。在本文中，我们介绍了一种低损耗 LToI 波导及其在环形谐振器中的应用。此外，我们还提供了 LToI 波导的 χ(3) 非线性特性。
划重点
提供 4寸-6寸 ltoi晶圆，薄膜钽酸锂晶圆，顶层厚度 100nm-1500nm，国产技术，成熟工艺
其他产品；
SINOI；--超低损耗氮化硅薄膜晶圆，
SICOI；用于碳化硅光子集成线路的高纯半绝缘碳化硅薄膜衬底
LTOI；铌酸锂的最有力的竞争对手，薄膜钽酸锂晶圆
LNOI;8寸LNOI助力更大规模薄膜铌酸锂产品量产
绝缘体波导上的 LT 制造
在本研究中，我们使用了 4 英寸 LToI 晶圆。顶部 LT 层是用于 SAW 器件的商用 42° 旋转 Y 型切割 LT 基板，该基板直接与具有 3 µm 厚热氧化层的 Si 基板键合，并执行智能切割工艺。图 1(a) 显示了 LToI 晶圆的顶视图，其中顶部 LT 层的厚度为 200 nm。我们使用原子力显微镜 (AFM) 评估了顶部 LT 层的表面粗糙度
图 1. (a) LToI 晶圆的顶视图，(b) 顶部 LT 层表面的 AFM 图像，(c) 顶部 LT 层表面的 PFM 图像，(d) LToI 波导的示意横截面，(e) 计算出的基本 TE 模式轮廓，以及 (f) SiO2 覆层沉积之前的 LToI 波导芯的 SEM 图像。
如图 1 (b) 所示。表面粗糙度小于 1 nm，没有观察到划痕线。此外，我们使用压电响应力显微镜 (PFM) 检查了顶部 LT 层的极化状态，如图 1 (c) 所示。即使在粘合过程之后，我们也证实了均匀的极化得以保持。
利用该 LToI 基板，我们按如下方式制作波导。首先，我们沉积一层金属掩模层，以便进行后续的 LT 干法蚀刻。然后，我们进行电子束 (EB) 光刻，以在金属掩模层顶部定义波导芯图案。接下来，我们通过干法蚀刻将 EB 抗蚀剂图案转移到金属掩模层。之后，通过电子回旋共振 (ECR) 等离子蚀刻形成 LToI 波导芯。最后，我们通过湿法工艺去除金属掩模层，并通过等离子增强化学气相沉积法沉积 SiO2 覆盖层。图 1 (d) 显示了 LToI 波导的示意性横截面。总芯高度、板高和芯宽度分别为 200、100 和 1000 nm。请注意，为了便于光纤耦合，芯宽度在波导边缘扩展到 3 µm。图 1 (e) 显示了 1550 nm 处基本横向电场 (TE) 模式的光波强度分布计算结果。图 1 (f) 显示了 SiO2 覆层沉积之前的 LToI 波导芯的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。
波导特性
首先，我们通过将来自 1550 nm 波段放大自发发射光源的 TE 偏振光输入到具有不同长度的 LToI 波导中来评估线性损耗特性。传播损耗是从波导长度与每个波长的透射率之间关系的斜率获得的。测量的传播损耗分别为 1530、1550 和 1570 nm 处的 0.32、0.28 和 0.26 dB/cm，如图 2 (a) 所示。制造的 LToI 波导表现出与最先进的 LNoI 波导 [10] 类似的相当低的损耗性能。
然后，我们通过四波混频过程产生的波长转换来评估 χ(3) 非线性。
我们将1550.0 nm 的连续波泵浦光波和1550.6 nm 的信号光波输入到12 mm 长的波导中。如图 2 (b) 所示，相位共轭（闲散）光波信号强度随输入功率的增加而增加。图 2 (b) 的插图显示了四波混频的典型输出光谱。从输入功率与转换效率的关系中，我们可以估算出非线性参数（γ）约为 11 W-1m
图 3. (a) 制造的环形谐振器的显微镜图像。(b) 具有各种间隙参数的环形谐振器的透射光谱。(c) 间隙为 1000 nm 的环形谐振器的测量和 Lorentzian 拟合透射光谱
应用于环形谐振器
接下来，我们制作了一个 LToI 环形谐振器并评估了其特性。图 3 (a) 显示了制作的环形谐振器的光学显微镜图像。环形谐振器具有“跑道”配置，由半径为 100 µm 的弯曲区域和长度为 100 µm 的直线区域组成。环和总线波导芯之间的间隙宽度以 200 nm 为增量变化，即 800、1000 和 1200 nm。图 3 (b) 显示了每个间隙的透射光谱，表明消光比随间隙而变化。从这些光谱中，我们确定 1000 nm 间隙提供了几乎临界的耦合条件，因为它的最高消光比为 -26 dB。使用临界耦合谐振器，我们通过 Lorentzian 拟合线性透射光谱估算品质因数 (Q 因子)，并得到内部 Q 因子为 110 万，如图 3 (c) 所示。据我们所知，这是首次展示波导耦合 LToI 环形谐振器。特别是，我们获得的 Q 因子值远高于光纤耦合 LToI 微盘谐振器 [9]
结论
我们开发了一种 LToI 波导，在 1550 nm 处损耗为 0.28 dB/cm，环形谐振器 Q 值为 110 万。
所获得的性能与最先进的 LNoI 低损耗波导相当。此外，我们还研究了制造的 LToI 波导在片上非线性应用中的 χ(3)非线性。
