چکیده:ما یک موجبر لیتیوم تانتالات مبتنی بر عایق 1550 نانومتری با تلفات 0.28 دسی بل بر سانتی متر و ضریب کیفیت تشدید کننده حلقه 1.1 میلیون ایجاد کرده ایم. کاربرد غیرخطی χ(3) در فوتونیک غیرخطی مطالعه شده است. مزایای لیتیوم نیوبات بر روی عایق (LNoI)، که خواص غیرخطی χ(2) و χ(3) عالی همراه با محصورسازی نوری قوی به دلیل ساختار "عایق روشن" آن از خود نشان می دهد، منجر به پیشرفت های قابل توجهی در فناوری موجبر برای فوق سریع شده است. تعدیل کننده ها و فوتونیک غیرخطی یکپارچه [1-3]. علاوه بر LN، لیتیوم تانتالات (LT) نیز به عنوان یک ماده فوتونی غیرخطی مورد بررسی قرار گرفته است. در مقایسه با LN، LT آستانه آسیب نوری بالاتر و پنجره شفافیت نوری گسترده‌تری دارد [4، 5]، اگرچه پارامترهای نوری آن، مانند ضریب شکست و ضرایب غیرخطی، شبیه به LN هستند [6، 7]. بنابراین، LToI به عنوان یکی دیگر از مواد نامزد قوی برای کاربردهای فوتونیک غیرخطی با توان نوری بالا برجسته می شود. علاوه بر این، LToI در حال تبدیل شدن به یک ماده اولیه برای دستگاه‌های فیلتر موج صوتی سطحی (SAW) است که در فناوری‌های موبایل و بی‌سیم با سرعت بالا قابل استفاده است. در این زمینه، ویفرهای LToI ممکن است به مواد رایج‌تری برای کاربردهای فوتونیک تبدیل شوند. با این حال، تا به امروز، تنها چند دستگاه فوتونیکی مبتنی بر LToI، مانند تشدید کننده‌های میکرودیسک [8] و تغییر دهنده‌های فاز الکترواپتیک [9] گزارش شده‌اند. در این مقاله، ما یک موجبر LToI کم تلفات و کاربرد آن در تشدید کننده حلقه را ارائه می‌کنیم. علاوه بر این، ما ویژگی‌های غیرخطی χ(3) موجبر LToI را ارائه می‌کنیم.
نکات کلیدی:
• ارائه ویفرهای LToI 4 تا 6 اینچی، ویفرهای لیتیوم تانتالات لایه نازک، با ضخامت لایه بالایی از 100 نانومتر تا 1500 نانومتر، با استفاده از فناوری داخلی و فرآیندهای بالغ.
• SINOI: ویفرهای لایه نازک نیترید سیلیکون با اتلاف بسیار کم.
• SICOI: زیرلایه های لایه نازک کاربید سیلیکون نیمه عایق با خلوص بالا برای مدارهای مجتمع فوتونیک کاربید سیلیکون.
• LTOI: یک رقیب قوی برای لیتیوم نیوبات، ویفرهای لیتیوم تانتالات لایه نازک.
• LNOI: LNOI 8 اینچی که از تولید انبوه محصولات لیتیوم نیوبات لایه نازک در مقیاس بزرگتر پشتیبانی می کند.
ساخت بر روی موجبرهای عایق:در این مطالعه، ما از ویفرهای LToI 4 اینچی استفاده کردیم. لایه LT بالایی یک زیرلایه تجاری Y-cut چرخشی 42 درجه LT برای دستگاه های SAW است که مستقیماً با یک لایه اکسید حرارتی به ضخامت 3 میکرومتر به یک بستر Si متصل می شود و از یک فرآیند برش هوشمند استفاده می کند. شکل 1(a) نمای بالایی از ویفر LToI را با ضخامت لایه LT بالایی 200 نانومتر نشان می دهد. ما زبری سطح لایه LT بالایی را با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) ارزیابی کردیم.
شکل 1.(الف) نمای بالایی ویفر LToI، (ب) تصویر AFM از سطح لایه LT بالایی، (ج) تصویر PFM از سطح لایه LT بالایی، (د) مقطع شماتیک موجبر LToI، (ه) مشخصات حالت اساسی TE محاسبه شده، و (f) تصویر SEM از هسته موجبر LToI قبل از رسوب لایه SiO2. همانطور که در شکل 1 (ب) نشان داده شده است، زبری سطح کمتر از 1 نانومتر است و هیچ خط خش مشاهده نشد. علاوه بر این، ما وضعیت پلاریزاسیون لایه LT بالایی را با استفاده از میکروسکوپ نیروی پاسخ پیزوالکتریک (PFM)، همانطور که در شکل 1 (c) نشان داده شده است، بررسی کردیم. ما تایید کردیم که پلاریزاسیون یکنواخت حتی پس از فرآیند باندینگ نیز حفظ شد.
با استفاده از این بستر LToI، موجبر را به صورت زیر ساختیم. ابتدا، یک لایه ماسک فلزی برای اچ کردن خشک بعدی LT سپرده شد. سپس، لیتوگرافی پرتو الکترونی (EB) برای تعریف الگوی هسته موجبر در بالای لایه ماسک فلزی انجام شد. در مرحله بعد، الگوی مقاومت EB را از طریق اچینگ خشک به لایه ماسک فلزی منتقل کردیم. پس از آن، هسته موجبر LToI با استفاده از اچ پلاسما رزونانس سیکلوترون الکترونی (ECR) تشکیل شد. در نهایت، لایه ماسک فلزی از طریق یک فرآیند مرطوب برداشته شد و یک لایه SiO2 با استفاده از رسوب‌دهی بخار شیمیایی تقویت‌شده با پلاسما رسوب کرد. شکل 1 (d) سطح مقطع شماتیک موجبر LToI را نشان می دهد. ارتفاع کل هسته، ارتفاع صفحه و عرض هسته به ترتیب 200 نانومتر، 100 نانومتر و 1000 نانومتر است. توجه داشته باشید که عرض هسته برای اتصال فیبر نوری به 3 میکرومتر در لبه موجبر افزایش می یابد.
شکل 1 (e) توزیع شدت نوری محاسبه شده حالت الکتریکی عرضی پایه (TE) را در 1550 نانومتر نشان می دهد. شکل 1 (f) تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از هسته موجبر LToI را قبل از رسوب لایه SiO2 نشان می دهد.
ویژگی های موجبر:ما ابتدا ویژگی‌های تلفات خطی را با وارد کردن نور پلاریزه TE از یک منبع انتشار خودبه‌خودی تقویت‌شده با طول موج 1550 نانومتر در موجبرهای LToI با طول‌های مختلف ارزیابی کردیم. افت انتشار از شیب رابطه بین طول موجبر و انتقال در هر طول موج به دست آمد. تلفات انتشار اندازه گیری شده به ترتیب 0.32، 0.28 و 0.26 dB/cm در 1530، 1550 و 1570 نانومتر بود که در شکل 2 (الف) نشان داده شده است. موجبرهای LToI ساخته شده عملکرد کم تلفات قابل مقایسه ای را با موجبرهای LNoI پیشرفته نشان دادند [10].
در مرحله بعد، غیرخطی χ (3) را از طریق تبدیل طول موج ایجاد شده توسط یک فرآیند اختلاط چهار موجی ارزیابی کردیم. ما یک چراغ پمپ موج پیوسته در 1550.0 نانومتر و یک چراغ سیگنال در 1550.6 نانومتر را در یک موجبر به طول 12 میلی متر وارد می کنیم. همانطور که در شکل 2 (ب) نشان داده شده است، شدت سیگنال موج نور فاز مزدوج (بیکار) با افزایش توان ورودی افزایش یافت. ورودی در شکل 2 (ب) طیف خروجی معمولی اختلاط چهار موجی را نشان می دهد. از رابطه بین توان ورودی و راندمان تبدیل، ما پارامتر غیرخطی (γ) را تقریباً 11 W^-1m برآورد کردیم.
شکل 3.(الف) تصویر میکروسکوپی از تشدید کننده حلقه ساخته شده. (ب) طیف های انتقال تشدید کننده حلقه با پارامترهای شکاف مختلف. (ج) طیف انتقال اندازه‌گیری شده و برازش لورنتسی تشدید کننده حلقه با شکاف 1000 نانومتر.
در مرحله بعد، ما یک تشدید کننده حلقه LToI ساختیم و ویژگی های آن را ارزیابی کردیم. شکل 3 (الف) تصویر میکروسکوپ نوری تشدید کننده حلقه ساخته شده را نشان می دهد. تشدید کننده حلقه دارای یک پیکربندی "پیست مسابقه" است که از یک ناحیه منحنی با شعاع 100 میکرومتر و یک منطقه مستقیم به طول 100 میکرومتر تشکیل شده است. عرض شکاف بین حلقه و هسته موجبر باس با افزایش 200 نانومتر، به ویژه در 800، 1000 و 1200 نانومتر متفاوت است. شکل 3 (ب) طیف های انتقال را برای هر شکاف نشان می دهد، که نشان می دهد نسبت خاموشی با اندازه شکاف تغییر می کند. از این طیف ها، ما تعیین کردیم که شکاف 1000 نانومتری شرایط جفت تقریباً بحرانی را فراهم می کند، زیرا بالاترین نسبت خاموشی 26- دسی بل را نشان می دهد.
با استفاده از تشدیدگر جفت شده بحرانی، ضریب کیفیت (ضریب Q) را با برازش طیف انتقال خطی با منحنی لورنتسی برآورد کردیم و ضریب Q داخلی 1.1 میلیون را به دست آوردیم، همانطور که در شکل 3 (ج) نشان داده شده است. طبق اطلاعات ما، این اولین نمایش از یک تشدید کننده حلقه LToI همراه با موجبر است. قابل ذکر است که مقدار فاکتور Q که ما به دست آوردیم به طور قابل توجهی بالاتر از تشدید کننده های میکرودیسک LToI جفت شده با فیبر است [9].
نتیجه گیری:ما یک موجبر LToI با اتلاف 0.28 dB/cm در 1550 نانومتر و ضریب Q تشدید کننده حلقه 1.1 میلیون ایجاد کردیم. عملکرد به دست آمده با موجبرهای مدرن LNoI کم تلفات قابل مقایسه است. علاوه بر این، ما غیرخطی بودن χ(3) موجبر LToI تولید شده را برای کاربردهای غیرخطی روی تراشه بررسی کردیم.
زمان ارسال: نوامبر-20-2024