Лазерный мир

А. В. Якухина, В. В. Светухин, А. С. Кадочкин // Фотоника, 2022,№1

Представлены результаты исследования влияния величины шероховатости поверхности световодного слоя на величину добротности мезаструктур оптических резонаторов, работающих в режиме мод шепчущей галереи (МШГ), изготовленных с использованием кремниевой технологии. В качестве материала световодного слоя исследованы два варианта: SiO2 и Si. Проведено исследование влияния величины шероховатости боковой поверхности световодного слоя на величину добротности для каждого варианта структуры. Величина шероховатости боковой поверхности световодного слоя исследовалась при помощи АСМ и РЭМ. Для мезаструктур оптических резонаторов со световодным слоем как из Si, так и из SiO2 в результате оптимизации базовых технологических процессов удалось достичь снижения величины шероховатости с 30–40 нм до 1–3 нм. Проведенная путем численного моделирования оценка показала, что добротность оптических резонаторов со световодным слоем из SiO2 может быть достигнута 109 за счет снижения шероховатости боковой поверхности световодного слоя.

Среди различных микрофотонных компонентов, применяющихся в кремниевой фотонике, особое место занимают микродисковые и микрокольцевые резонаторы [22–26] благодаря высокой добротности. Оптические микрорезонаторы [27] представляют собой микрофотонные структуры, отличающиеся компактными размерами (в сравнении с аналогичными оптическими устройствами, изготовленными с использованием волоконных технологий), селективностью (по частоте) и усилением светового потока, которое возможно благодаря положительной обратной связи, обеспечивающей многократное прохождение лазерного излучения через активную среду [28]. Устройства на основе микрорезонаторов используются для различных приложений интегральной оптики, таких как генерация частотной гребенки Керра, генерация лазерного излучения, нелинейная оптика, сенсорика (создание преобразователей физических величин) [29].

На основе оптических МШГ резонаторов возможно создание различных биосенсоров [30, 31], фононных лазеров [33], лазеров со сверхнизким порогом генерации [34]. Вместе с тем, такие резонаторы находят широкое применение для исследований в области нелинейной оптики [35–37].

Очевидно, что потери, вызванные несовершенством поверхности, вносят вклад в общие потери оптической структуры и соответственно оказывают влияние на добротность. Поэтому для формирования структур с минимальной величиной шероховатости (порядка единиц нанометров) необходимо прибегать к нестандартным способам обработки структур. В случае с оксидом кремния некоторые производители применяют СО2-лазер для оплавления диэлектрических структур. Действительно, в таком случае получается тороидальная оплавленная структура, что позволяет эффективно применять устройства, изготовленные на ее базе, в оптических приложениях. Однако у такого способа существует ряд недостатков, связанных с производительностью CO2-лазера, а также с невозможностью создания на кристалле массива таких резонаторов.

Полное содержание статьи на https://www.photonics.su/files/article_pdf/9/article_9213_936.pdf