چکیده:ما یک موجبر لیتیوم تانتالات مبتنی بر عایق با طول موج 1550 نانومتر با تلفات 0.28 دسی‌بل بر سانتی‌متر و ضریب کیفیت تشدیدگر حلقه‌ای 1.1 میلیون توسعه داده‌ایم. کاربرد غیرخطی بودن χ(3) در فوتونیک غیرخطی مورد مطالعه قرار گرفته است. مزایای لیتیوم نیوبات روی عایق (LNoI)، که به دلیل ساختار "عایق روی" خود، خواص غیرخطی χ(2) و χ(3) عالی را همراه با محصورسازی نوری قوی نشان می‌دهد، منجر به پیشرفت‌های قابل توجهی در فناوری موجبر برای مدولاتورهای فوق سریع و فوتونیک غیرخطی مجتمع شده است [1-3]. علاوه بر LN، لیتیوم تانتالات (LT) نیز به عنوان یک ماده فوتونیک غیرخطی بررسی شده است. در مقایسه با LN، LT آستانه آسیب نوری بالاتری دارد و پنجره شفافیت نوری وسیع‌تری دارد [4، 5]، اگرچه پارامترهای نوری آن، مانند ضریب شکست و ضرایب غیرخطی، مشابه LN است [6، 7]. بنابراین، LToI به عنوان یکی دیگر از مواد کاندید قوی برای کاربردهای فوتونیک غیرخطی با توان نوری بالا برجسته است. علاوه بر این، LToI در حال تبدیل شدن به یک ماده اصلی برای دستگاه‌های فیلتر موج آکوستیک سطحی (SAW) است که در فناوری‌های موبایل و بی‌سیم پرسرعت قابل استفاده هستند. در این زمینه، ویفرهای LToI ممکن است به مواد رایج‌تری برای کاربردهای فوتونیک تبدیل شوند. با این حال، تا به امروز، تنها تعداد کمی از دستگاه‌های فوتونیک مبتنی بر LToI گزارش شده‌اند، مانند تشدیدگرهای میکرودیسک [8] و تغییردهنده‌های فاز الکترواپتیکی [9]. در این مقاله، ما یک موجبر LToI با تلفات کم و کاربرد آن در یک تشدیدگر حلقه‌ای را ارائه می‌دهیم. علاوه بر این، ویژگی‌های غیرخطی χ(3) موجبر LToI را ارائه می‌دهیم.
نکات کلیدی:
• ارائه ویفرهای LToI 4 تا 6 اینچی، ویفرهای لایه نازک لیتیوم تانتالات، با ضخامت لایه بالایی از 100 نانومتر تا 1500 نانومتر، با استفاده از فناوری داخلی و فرآیندهای پیشرفته.
• SINOI: ویفرهای لایه نازک نیترید سیلیکون با اتلاف بسیار کم.
• SICOI: زیرلایه‌های لایه نازک کاربید سیلیکون نیمه عایق با خلوص بالا برای مدارهای مجتمع فوتونی کاربید سیلیکون.
• LTOI: رقیب سرسخت لیتیوم نیوبات، ویفرهای لایه نازک لیتیوم تانتالات.
• LNOI: LNOI 8 اینچی که از تولید انبوه محصولات نیوبات لیتیوم لایه نازک در مقیاس بزرگتر پشتیبانی می‌کند.
تولید روی موجبرهای عایق:در این مطالعه، ما از ویفرهای LToI 4 اینچی استفاده کردیم. لایه بالایی LT یک زیرلایه LT با برش Y و چرخش 42 درجه تجاری برای دستگاه‌های SAW است که مستقیماً با یک لایه اکسید حرارتی به ضخامت 3 میکرومتر و با استفاده از یک فرآیند برش هوشمند به زیرلایه Si متصل شده است. شکل 1 (الف) نمای بالایی از ویفر LToI را با ضخامت لایه بالایی LT برابر با 200 نانومتر نشان می‌دهد. ما زبری سطح لایه بالایی LT را با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) ارزیابی کردیم.
شکل ۱.(الف) نمای بالای ویفر LToI، (ب) تصویر AFM از سطح لایه بالایی LT، (ج) تصویر PFM از سطح لایه بالایی LT، (د) مقطع شماتیک موجبر LToI، (ه) پروفیل حالت اساسی TE محاسبه شده، و (و) تصویر SEM از هسته موجبر LToI قبل از رسوب لایه رویی SiO2. همانطور که در شکل 1 (ب) نشان داده شده است، زبری سطح کمتر از 1 نانومتر است و هیچ خط خراشی مشاهده نشد. علاوه بر این، ما وضعیت قطبش لایه بالایی LT را با استفاده از میکروسکوپ نیروی پاسخ پیزوالکتریک (PFM) بررسی کردیم، همانطور که در شکل 1 (ج) نشان داده شده است. ما تأیید کردیم که قطبش یکنواخت حتی پس از فرآیند اتصال حفظ شده است.
با استفاده از این زیرلایه LToI، موجبر را به شرح زیر ساختیم. ابتدا، یک لایه ماسک فلزی برای حکاکی خشک بعدی LT رسوب داده 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 حکاکی خشک به لایه ماسک فلزی منتقل کردیم. پس از آن، هسته موجبر LToI با استفاده از حکاکی پلاسمای رزونانس سیکلوترون الکترونی (ECR) تشکیل شد. در نهایت، لایه ماسک فلزی از طریق یک فرآیند مرطوب برداشته شد و یک لایه رویی SiO2 با استفاده از رسوب بخار شیمیایی تقویت‌شده با پلاسما رسوب داده شد. شکل 1 (d) مقطع شماتیک موجبر LToI را نشان می‌دهد. 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 در لبه موجبر به 3 میکرومتر افزایش می‌یابد.
شکل 1 (ه) توزیع شدت نوری محاسبه‌شده از مد الکتریکی عرضی اساسی (TE) را در طول موج 1550 نانومتر نشان می‌دهد. شکل 1 (و) تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از هسته موجبر LToI را قبل از رسوب لایه رویی SiO2 نشان می‌دهد.
ویژگی‌های موجبر:ما ابتدا ویژگی‌های تلفات خطی را با وارد کردن نور قطبیده شده با TE از یک منبع انتشار خودبه‌خودی تقویت‌شده با طول موج 1550 نانومتر به موجبرهای LToI با طول‌های مختلف ارزیابی کردیم. تلفات انتشار از شیب رابطه بین طول موجبر و انتقال در هر طول موج به دست آمد. تلفات انتشار اندازه‌گیری شده به ترتیب 0.32، 0.28 و 0.26 دسی‌بل بر سانتی‌متر در 1530، 1550 و 1570 نانومتر بود، همانطور که در شکل 2 (الف) نشان داده شده است. موجبرهای LToI ساخته شده، عملکرد کم تلفات قابل مقایسه‌ای با موجبرهای LNoI پیشرفته نشان دادند [10].
در مرحله بعد، ما غیرخطی بودن χ(3) را از طریق تبدیل طول موج تولید شده توسط یک فرآیند اختلاط چهار موج ارزیابی کردیم. ما یک نور پمپ موج پیوسته در 1550.0 نانومتر و یک نور سیگنال در 1550.6 نانومتر را به یک موجبر به طول 12 میلی‌متر وارد کردیم. همانطور که در شکل 2 (b) نشان داده شده است، شدت سیگنال موج نور مزدوج فاز (idler) با افزایش توان ورودی افزایش یافت. شکل داخل شکل 2 (b) طیف خروجی معمول اختلاط چهار موج را نشان می‌دهد. از رابطه بین توان ورودی و راندمان تبدیل، پارامتر غیرخطی (γ) را تقریباً 11 W^-1m تخمین زدیم.
شکل ۳.(الف) تصویر میکروسکوپی از تشدیدگر حلقه‌ای ساخته شده. (ب) طیف‌های عبوری تشدیدگر حلقه‌ای با پارامترهای شکاف مختلف. (ج) طیف عبوری اندازه‌گیری شده و برازش شده با لورنتز از تشدیدگر حلقه‌ای با شکاف 1000 نانومتر.
در مرحله بعد، ما یک تشدیدگر حلقه‌ای LToI ساختیم و ویژگی‌های آن را ارزیابی کردیم. شکل 3 (الف) تصویر میکروسکوپ نوری از تشدیدگر حلقه‌ای ساخته شده را نشان می‌دهد. تشدیدگر حلقه‌ای دارای پیکربندی "مسیر مسابقه" است که شامل یک ناحیه منحنی با شعاع 100 میکرومتر و یک ناحیه مستقیم با طول 100 میکرومتر است. عرض شکاف بین حلقه و هسته موجبر باس با افزایش 200 نانومتر، به طور خاص در 800، 1000 و 1200 نانومتر، تغییر می‌کند. شکل 3 (ب) طیف‌های انتقال را برای هر شکاف نشان می‌دهد که نشان می‌دهد نسبت خاموشی با اندازه شکاف تغییر می‌کند. از این طیف‌ها، ما مشخص کردیم که شکاف 1000 نانومتر شرایط جفت شدن تقریباً بحرانی را فراهم می‌کند، زیرا بالاترین نسبت خاموشی -26 دسی‌بل را نشان می‌دهد.
با استفاده از تشدیدگر کوپل شده بحرانی، ضریب کیفیت (فاکتور Q) را با برازش طیف انتقال خطی با منحنی لورنتزی تخمین زدیم و ضریب Q داخلی 1.1 میلیون را بدست آوردیم، همانطور که در شکل 3 (c) نشان داده شده است. تا آنجا که ما می‌دانیم، این اولین نمایش از یک تشدیدگر حلقه‌ای LToI کوپل شده با موجبر است. نکته قابل توجه این است که مقدار ضریب Q که ما به دست آوردیم به طور قابل توجهی بالاتر از تشدیدگرهای میکرودیسک LToI کوپل شده با فیبر است [9].
نتیجه‌گیری:ما یک موجبر LToI با تلفات 0.28 دسی‌بل بر سانتی‌متر در طول موج 1550 نانومتر و ضریب Q رزوناتور حلقه‌ای 1.1 میلیون توسعه دادیم. عملکرد به‌دست‌آمده با موجبرهای LNoI کم‌تلفات پیشرفته قابل مقایسه است. علاوه بر این، ما غیرخطی بودن χ(3) موجبر LToI ساخته‌شده را برای کاربردهای غیرخطی روی تراشه بررسی کردیم.
زمان ارسال: 20 نوامبر 2024