เชิงนามธรรม:เราได้พัฒนาตัวนำคลื่นลิเธียมแทนทาเลตแบบใช้ฉนวนขนาด 1550 นาโนเมตรที่มีการสูญเสีย 0.28 dB/cm และค่าคุณภาพเรโซเนเตอร์แบบวงแหวน 1.1 ล้าน การประยุกต์ใช้ความไม่เป็นเชิงเส้น χ(3) ในโฟโตนิกส์แบบไม่เป็นเชิงเส้นได้รับการศึกษา ข้อดีของลิเธียมไนโอเบตบนฉนวน (LNoI) ซึ่งแสดงคุณสมบัติไม่เป็นเชิงเส้น χ(2) และ χ(3) ที่ยอดเยี่ยมพร้อมกับการกักเก็บแสงที่แข็งแกร่งเนื่องจากโครงสร้าง "ฉนวนบน" ได้นำไปสู่ความก้าวหน้าอย่างมากในเทคโนโลยีตัวนำคลื่นสำหรับตัวปรับสัญญาณความเร็วสูงและโฟโตนิกส์แบบไม่เป็นเชิงเส้นแบบบูรณาการ [1-3] นอกจาก LN แล้ว ลิเธียมแทนทาเลต (LT) ยังได้รับการศึกษาในฐานะวัสดุโฟโตนิกส์แบบไม่เป็นเชิงเส้นอีกด้วย เมื่อเปรียบเทียบกับ LN แล้ว LT มีค่าเกณฑ์ความเสียหายทางแสงที่สูงกว่าและมีช่วงความโปร่งใสทางแสงที่กว้างกว่า [4, 5] แม้ว่าพารามิเตอร์ทางแสง เช่น ดัชนีหักเหและสัมประสิทธิ์แบบไม่เชิงเส้น จะคล้ายกับของ LN ก็ตาม [6, 7] ดังนั้น LToI จึงโดดเด่นในฐานะวัสดุที่มีศักยภาพสูงอีกชนิดหนึ่งสำหรับการใช้งานโฟโตนิกส์แบบไม่เชิงเส้นที่มีกำลังแสงสูง ยิ่งไปกว่านั้น LToI กำลังกลายเป็นวัสดุหลักสำหรับอุปกรณ์กรองคลื่นเสียงพื้นผิว (SAW) ซึ่งสามารถนำไปใช้ในเทคโนโลยีมือถือและไร้สายความเร็วสูง ในบริบทนี้ แผ่นเวเฟอร์ LToI อาจกลายเป็นวัสดุที่ใช้กันทั่วไปมากขึ้นสำหรับการใช้งานโฟโตนิกส์ อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน มีการรายงานอุปกรณ์โฟโตนิกส์ที่ใช้ LToI เพียงไม่กี่ชิ้น เช่น ไมโครดิสก์เรโซเนเตอร์ [8] และตัวเปลี่ยนเฟสแบบอิเล็กโทรออปติก [9] ในบทความนี้ เราจะนำเสนอตัวนำคลื่น LToI ที่มีการสูญเสียต่ำและการประยุกต์ใช้ในเรโซเนเตอร์แบบวงแหวน นอกจากนี้ เรายังให้คุณลักษณะแบบไม่เชิงเส้น χ(3) ของตัวนำคลื่น LToI ด้วย
ประเด็นสำคัญ:
• นำเสนอเวเฟอร์ LToI ขนาด 4 นิ้วถึง 6 นิ้ว ซึ่งเป็นเวเฟอร์ลิเธียมแทนทาเลตแบบฟิล์มบาง ที่มีความหนาของชั้นบนสุดตั้งแต่ 100 นาโนเมตรถึง 1500 นาโนเมตร โดยใช้เทคโนโลยีภายในประเทศและกระบวนการผลิตที่ได้มาตรฐาน
• SINOI: แผ่นเวเฟอร์ฟิล์มบางซิลิคอนไนไตรด์ที่มีการสูญเสียต่ำมากเป็นพิเศษ
• SICOI: แผ่นฟิล์มบางซิลิคอนคาร์ไบด์กึ่งฉนวนความบริสุทธิ์สูงสำหรับวงจรรวมโฟตอนิกซิลิคอนคาร์ไบด์
• LTOI: คู่แข่งสำคัญของลิเธียมไนโอเบต คือแผ่นเวเฟอร์ลิเธียมแทนทาเลตแบบฟิล์มบาง
• LNOI: เครื่อง LNOI ขนาด 8 นิ้ว รองรับการผลิตผลิตภัณฑ์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางขนาดใหญ่ในปริมาณมาก
การผลิตตัวนำคลื่นฉนวน:ในการศึกษาครั้งนี้ เราใช้เวเฟอร์ LToI ขนาด 4 นิ้ว ชั้น LT ด้านบนเป็นแผ่นรองพื้น LT แบบ Y-cut หมุน 42° สำหรับอุปกรณ์ SAW ซึ่งเชื่อมติดโดยตรงกับแผ่นรองพื้น Si ที่มีชั้นออกไซด์ความร้อนหนา 3 µm โดยใช้กระบวนการตัดอัจฉริยะ รูปที่ 1(a) แสดงมุมมองด้านบนของเวเฟอร์ LToI โดยมีความหนาของชั้น LT ด้านบน 200 nm เราประเมินความหยาบของพื้นผิวของชั้น LT ด้านบนโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM)
รูปที่ 1.(a) ภาพมุมมองด้านบนของแผ่นเวเฟอร์ LToI (b) ภาพ AFM ของพื้นผิวชั้น LT ด้านบน (c) ภาพ PFM ของพื้นผิวชั้น LT ด้านบน (d) แผนภาพตัดขวางของท่อนำคลื่น LToI (e) โปรไฟล์โหมด TE พื้นฐานที่คำนวณได้ และ (f) ภาพ SEM ของแกนท่อนำคลื่น LToI ก่อนการเคลือบชั้น SiO2 ดังแสดงในรูปที่ 1 (b) ความหยาบของพื้นผิวน้อยกว่า 1 นาโนเมตร และไม่พบรอยขีดข่วน นอกจากนี้ เรายังตรวจสอบสถานะโพลาไรเซชันของชั้น LT ด้านบนโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงตอบสนองแบบเพียโซอิเล็กทริก (PFM) ดังแสดงในรูปที่ 1 (c) เรายืนยันว่าโพลาไรเซชันที่สม่ำเสมอได้รับการรักษาไว้แม้หลังจากกระบวนการเชื่อมต่อแล้ว
โดยใช้พื้นผิว LToI นี้ เราได้สร้างตัวนำคลื่นแสงดังต่อไปนี้ ขั้นแรก วางชั้นหน้ากากโลหะเพื่อเตรียมสำหรับการกัดแบบแห้งของ LT ต่อไป จากนั้น ทำการพิมพ์ด้วยลำแสงอิเล็กตรอน (EB) เพื่อกำหนดรูปแบบแกนตัวนำคลื่นแสงบนชั้นหน้ากากโลหะ ต่อมา เราถ่ายโอนรูปแบบสารต้านทาน EB ไปยังชั้นหน้ากากโลหะโดยการกัดแบบแห้ง หลังจากนั้น สร้างแกนตัวนำคลื่นแสง LToI โดยใช้การกัดด้วยพลาสมาแบบเรโซแนนซ์ไซโคลตรอนอิเล็กตรอน (ECR) สุดท้าย กำจัดชั้นหน้ากากโลหะออกโดยกระบวนการเปียก และวางชั้น SiO2 ทับลงไปโดยใช้การตกตะกอนไอเคมีแบบเสริมด้วยพลาสมา รูปที่ 1 (d) แสดงภาพตัดขวางของตัวนำคลื่นแสง LToI ความสูงทั้งหมดของแกน ความสูงของแผ่น และความกว้างของแกน คือ 200 นาโนเมตร 100 นาโนเมตร และ 1000 นาโนเมตร ตามลำดับ โปรดทราบว่าความกว้างของแกนจะขยายเป็น 3 ไมโครเมตรที่ขอบตัวนำคลื่นแสงสำหรับการเชื่อมต่อกับใยแก้วนำแสง
รูปที่ 1 (e) แสดงการกระจายความเข้มแสงที่คำนวณได้ของโหมดไฟฟ้าตามขวาง (TE) พื้นฐานที่ 1550 นาโนเมตร รูปที่ 1 (f) แสดงภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) ของแกนนำคลื่น LToI ก่อนการเคลือบชั้น SiO2
คุณลักษณะของท่อนำคลื่น:เราได้ประเมินลักษณะการสูญเสียเชิงเส้นก่อนโดยการป้อนแสงโพลาไรซ์ TE จากแหล่งกำเนิดการปล่อยแสงแบบสุ่มที่ขยายความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตรเข้าไปในท่อนำคลื่น LToI ที่มีความยาวต่างกัน การสูญเสียการแพร่กระจายได้มาจากความชันของความสัมพันธ์ระหว่างความยาวของท่อนำคลื่นและการส่งผ่านที่แต่ละความยาวคลื่น การสูญเสียการแพร่กระจายที่วัดได้คือ 0.32, 0.28 และ 0.26 dB/cm ที่ 1530, 1550 และ 1570 นาโนเมตร ตามลำดับ ดังแสดงในรูปที่ 2 (a) ท่อนำคลื่น LToI ที่สร้างขึ้นแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการสูญเสียต่ำที่เทียบได้กับท่อนำคลื่น LNoI ที่ทันสมัย [10]
ถัดไป เราประเมินความไม่เป็นเชิงเส้น χ(3) ผ่านการแปลงความยาวคลื่นที่สร้างขึ้นโดยกระบวนการผสมคลื่นสี่คลื่น เราป้อนแสงปั๊มคลื่นต่อเนื่องที่ 1550.0 นาโนเมตรและแสงสัญญาณที่ 1550.6 นาโนเมตรเข้าไปในท่อนำคลื่นยาว 12 มม. ดังแสดงในรูปที่ 2 (b) ความเข้มของสัญญาณคลื่นแสงเฟสคู่ควบ (ไอเดลอร์) เพิ่มขึ้นตามกำลังอินพุตที่เพิ่มขึ้น ภาพแทรกในรูปที่ 2 (b) แสดงสเปกตรัมเอาต์พุตทั่วไปของการผสมคลื่นสี่คลื่น จากความสัมพันธ์ระหว่างกำลังอินพุตและประสิทธิภาพการแปลง เราประมาณค่าพารามิเตอร์ไม่เป็นเชิงเส้น (γ) ได้ประมาณ 11 W^-1m
รูปที่ 3.(a) ภาพจากกล้องจุลทรรศน์ของวงแหวนเรโซเนเตอร์ที่สร้างขึ้น (b) สเปกตรัมการส่งผ่านของวงแหวนเรโซเนเตอร์ที่มีพารามิเตอร์ช่องว่างต่างๆ กัน (c) สเปกตรัมการส่งผ่านที่วัดได้และปรับให้เข้ากับฟังก์ชันลอเรนซ์ของวงแหวนเรโซเนเตอร์ที่มีช่องว่าง 1000 นาโนเมตร
ต่อไป เราได้สร้างวงแหวนเรโซเนเตอร์ LToI และประเมินคุณลักษณะของมัน รูปที่ 3 (a) แสดงภาพจากกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอลของวงแหวนเรโซเนเตอร์ที่สร้างขึ้น วงแหวนเรโซเนเตอร์มีโครงสร้างแบบ "สนามแข่ง" ประกอบด้วยส่วนโค้งที่มีรัศมี 100 µm และส่วนตรงยาว 100 µm ความกว้างของช่องว่างระหว่างวงแหวนและแกนนำคลื่นจะแตกต่างกันทีละ 200 nm โดยเฉพาะที่ 800, 1000 และ 1200 nm รูปที่ 3 (b) แสดงสเปกตรัมการส่งผ่านสำหรับแต่ละช่องว่าง ซึ่งบ่งชี้ว่าอัตราส่วนการลดทอนเปลี่ยนแปลงไปตามขนาดของช่องว่าง จากสเปกตรัมเหล่านี้ เราพบว่าช่องว่างขนาด 1000 nm ให้สภาวะการเชื่อมต่อที่เกือบจะวิกฤต เนื่องจากมีอัตราส่วนการลดทอนสูงสุดที่ -26 dB
โดยใช้เรโซเนเตอร์ที่เชื่อมต่อกันอย่างวิกฤต เราได้ประมาณค่าแฟคเตอร์คุณภาพ (Q factor) โดยการปรับสเปกตรัมการส่งผ่านเชิงเส้นด้วยเส้นโค้ง Lorentzian ซึ่งได้ค่า Q factor ภายในเท่ากับ 1.1 ล้าน ดังแสดงในรูปที่ 3 (c) เท่าที่เราทราบ นี่เป็นการสาธิตครั้งแรกของเรโซเนเตอร์วงแหวน LToI ที่เชื่อมต่อด้วยท่อนำคลื่น ที่น่าสังเกตคือ ค่า Q factor ที่เราได้รับนั้นสูงกว่าเรโซเนเตอร์ไมโครดิสก์ LToI ที่เชื่อมต่อด้วยไฟเบอร์อย่างมีนัยสำคัญ [9]
บทสรุป:เราได้พัฒนาตัวนำคลื่น LToI ที่มีการสูญเสีย 0.28 dB/cm ที่ 1550 nm และค่า Q factor ของวงแหวนเรโซเนเตอร์เท่ากับ 1.1 ล้าน ประสิทธิภาพที่ได้นั้นเทียบได้กับตัวนำคลื่น LNoI ที่มีการสูญเสียต่ำที่ทันสมัยที่สุด นอกจากนี้ เรายังได้ตรวจสอบคุณสมบัติไม่เชิงเส้น χ(3) ของตัวนำคลื่น LToI ที่ผลิตขึ้นสำหรับการใช้งานไม่เชิงเส้นบนชิป
วันที่เผยแพร่: 20 พฤศจิกายน 2024