Nanophotonic devices in thin film lithium niobate

QC 2024-04-03

Abstract

Fotoniska komponenter spelar en väsentlig roll i dagens samhälle och utgör centrala byggstenar i många tillämpningar, allt från dagens internet till sensorer och tillverkning, och fotonik förväntas bli ryggraden i framtidens kvantinternet och kvantkommunikationssystem tack vare ljusets långa koherenstid. Till skillnad från elektroniska integrerade kretsar, där kisel har varit det föredragna materialet i många decennier, finns det många tillgängliga alternativ för materialsubstrat för fotoniska integrerade kretsar (PIC). En av de mest lovande plattformarna för framtida PIC:er är tunnfilmslitiumniobat ("thin film lithium niobate", TFLN). 

Litiumniobat (LN) är en ferroelektrisk kristall som kännetecknas av ett brett transparensfönster och utmärkta elektro- och ickelinjära optiska egenskaper. Dessutom tillåter tunnfilmsformatet att man kan lägga till dessa funktioners möjlighet att implementera sub-mikrometriska komponenter som kännetecknas av ett fotavtryck som liknar det som realiseras på kisel och kiselnitrid men med förbättrade egenskaper när det gäller koherent elektrisk styrning av ljus och effektivare foton-foton-interaktioner på chipet. Denna avhandling beskriver några nya nanofotoniska komponenter och bidrar tilltunnfilmslitiumniobat-teknologiplattformen som är under snabb utveckling. Avhandlingen inkluderar också hybrida integrationsprocesser. För monolitiska TFLN nanovågledarkomponenter har nanostruktureringskapabilitet för fotoniska enheter med ultrasmå fotavtryck utvecklats och dessa används för att implementera resonatorer med hög kvalitetsfaktor (Q) baserade på vågledarintegrerade fasförskjutna Bragg-gitter ("phase shifted Bragg gratings", PSBG). Den optiska responsen hos dessa komponenter, som arbetar vid telekomvåglängd och kännetecknas av en överförings-bandbredd så smal som 8.8 pm (motsvarande ett Q överstigande 1.7 x 10⁵) och av ett fotavtryck mindre än 500 um², analyserades med hjälp av en modell baserad på modkopplingsteori ("coupled mode theory", CMT) som visar utmärkt överensstämmelse med experimentell data. Modellen ger insikter om förluster hos tillverkade komponeneter och användbara riktlinjer för design av optimerad PSBG. Med hänsyn till alla parametrar för komponenttillverkning och optimering observerades även experimentella avvikelser från en sådan modell. Vid ytterligare undersökning förklarades dessa effekter som resultaten av en Fano-resonans vilket inträffar i PSBG-strukturen som involverar en interaktion mellan moderna TE₀₀ och TM₀₁ i vågledaren. Effekten resulterar i en smalbandig och asymmetrisk transmissionstopp som kan justeras genom modifiering av vågledardesignen, vilket har bekräftats av experiment och simuleringar. Den utmärkta känsligheten för förändringar av brytningsindex hos PSBG-enheter har utnyttjats för att utveckla en omfattande studie av elektro- och termo-optiska egenskaper hos X-kluven TFLN. Studien belyser fördelarna ochbegränsningarna för båda metoderna för komponenttrimning och omkonfigurerbarhet. Avhandlingen inkluderar även experimentella bidrag till dispersionskonstruerade TFLN-vågledare, vars egenskaper karakteriserades för fundamentala TE och TM moder som funktion av vågledargeometrin i telekombandet med hjälp av dubbelkamsspektroskopi ("dual comb spectroscopy", DCS).

Detta arbete tar även upp hybridfotoniska komponenter för ljusdetektering och emission på chip, vilket demonstrerar integrationen av supraledande nanotråds-enkelfotondetektorer ("superconducting nanowire single photon detectors", SNSPD) och erbiumsändare i TFLN.SNSPD:er baserade på NbTiN integrerades i enkelmods TFLN-nanovågledare och deras spektrala känslighet utnyttjades för att implementera en våglängdsmätare som arbetar i telekom C- och L-banden för att uppnå fotonräkningoch spektral känslighet på en enda vågledarintegrerad komponent. Vidare utvecklades enprocess för effektiv inkorporering av Er-joner i TFLN framgångsrikt i samarbete med forskare från University of Manchester. Strukturelloch optisk karakterisering av Er:TFLN-proverna indikerar ingen störning av LN-kristallens inre egenskaper. Fotoluminescensenfrån de implanterade filmerna, som emitterar i C-bandet, studerades som en funktion av temperatur.

Resultaten är lovande för framtida kvantfotoniska kretsar på chip i 1550 nm-bandet, som kan fungera vid kryogeniska temperaturer med på-begäran-enkelfotonkällor, elektrooptisk fotondirigering och manipulation samt detektering i TFLN-kretsar.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-344838