เชิงนามธรรม:เราได้พัฒนาท่อนำคลื่นลิเธียมแทนทาเลตแบบฉนวน 1,550 นาโนเมตรที่มีการสูญเสีย 0.28 เดซิเบลต่อเซนติเมตร และปัจจัยคุณภาพตัวสะท้อนริง 1.1 ล้าน เราได้ศึกษาการประยุกต์ใช้ความไม่เชิงเส้น χ(3) ในโฟโตนิกส์แบบไม่เชิงเส้น ข้อดีของลิเธียมไนโอเบตบนฉนวน (LNoI) ซึ่งแสดงคุณสมบัติแบบไม่เชิงเส้น χ(2) และ χ(3) ที่ยอดเยี่ยม พร้อมกับการจำกัดแสงที่แข็งแกร่งเนื่องจากโครงสร้าง "บนฉนวน" นำไปสู่ความก้าวหน้าที่สำคัญในเทคโนโลยีท่อนำคลื่นสำหรับโมดูเลเตอร์ความเร็วสูงและโฟโตนิกส์แบบไม่เชิงเส้นแบบบูรณาการ [1-3] นอกจาก LN แล้ว ลิเธียมแทนทาเลต (LT) ยังได้รับการศึกษาในฐานะวัสดุโฟโตนิกส์แบบไม่เชิงเส้นอีกด้วย เมื่อเปรียบเทียบกับ LN แล้ว LT จะมีเกณฑ์ความเสียหายทางแสงที่สูงกว่าและหน้าต่างความโปร่งใสทางแสงที่กว้างกว่า [4, 5] แม้ว่าพารามิเตอร์ทางแสง เช่น ดัชนีหักเหแสงและค่าสัมประสิทธิ์แบบไม่เชิงเส้น จะคล้ายกับ LN [6, 7] ดังนั้น LToI จึงโดดเด่นในฐานะวัสดุตัวเลือกที่แข็งแกร่งอีกชนิดหนึ่งสำหรับแอปพลิเคชันโฟโตนิกแบบไม่เชิงเส้นที่มีกำลังแสงสูง นอกจากนี้ LToI กำลังกลายเป็นวัสดุหลักสำหรับอุปกรณ์กรองคลื่นอะคูสติกพื้นผิว (SAW) ซึ่งใช้ได้กับเทคโนโลยีไร้สายและเคลื่อนที่ความเร็วสูง ในบริบทนี้ เวเฟอร์ LToI อาจกลายเป็นวัสดุทั่วไปสำหรับแอปพลิเคชันโฟโตนิก อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน มีรายงานอุปกรณ์โฟโตนิกที่ใช้ LToI เพียงไม่กี่รายการ เช่น เรโซเนเตอร์ไมโครดิสก์ [8] และชิฟเตอร์เฟสอิเล็กโทรออปติก [9] ในเอกสารฉบับนี้ เราจะนำเสนอท่อนำคลื่น LToI ที่มีการสูญเสียต่ำและการใช้งานในเรโซเนเตอร์วงแหวน นอกจากนี้ เรายังให้ลักษณะไม่เชิงเส้น χ(3) ของท่อนำคลื่น LToI
จุดสำคัญ:
• นำเสนอเวเฟอร์ LToI ขนาด 4 ถึง 6 นิ้ว เวเฟอร์ลิเธียมแทนทาเลตแบบฟิล์มบางที่มีความหนาของชั้นบนตั้งแต่ 100 นาโนเมตรถึง 1,500 นาโนเมตร โดยใช้เทคโนโลยีในประเทศและกระบวนการที่ครบวงจร
• SINOI: เวเฟอร์ฟิล์มบางซิลิกอนไนไตรด์ที่มีการสูญเสียต่ำพิเศษ
• SICOI: แผ่นฟิล์มบางซิลิกอนคาร์ไบด์กึ่งฉนวนที่มีความบริสุทธิ์สูงสำหรับวงจรรวมโฟโตนิกซิลิกอนคาร์ไบด์
• LTOI: คู่แข่งที่แข็งแกร่งของลิเธียมไนโอเบตและเวเฟอร์ลิเธียมแทนทาเลตแบบฟิล์มบาง
• LNOI: LNOI ขนาด 8 นิ้ว รองรับการผลิตจำนวนมากของผลิตภัณฑ์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางขนาดใหญ่
การผลิตบนท่อนำคลื่นฉนวน:ในการศึกษาครั้งนี้ เราใช้เวเฟอร์ LToI ขนาด 4 นิ้ว ชั้น LT ด้านบนเป็นพื้นผิว LT แบบ Y-cut ที่หมุน 42° เชิงพาณิชย์สำหรับอุปกรณ์ SAW ซึ่งเชื่อมติดกับพื้นผิว Si โดยตรงด้วยชั้นออกไซด์ความร้อนหนา 3 µm โดยใช้กระบวนการตัดอัจฉริยะ รูปที่ 1(a) แสดงมุมมองด้านบนของเวเฟอร์ LToI โดยความหนาของชั้น LT ด้านบนคือ 200 นาโนเมตร เราประเมินความหยาบของพื้นผิวของชั้น LT ด้านบนโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM)
รูปที่ 1.(ก) มุมมองด้านบนของเวเฟอร์ LToI (ข) ภาพ AFM ของพื้นผิวของชั้น LT ด้านบน (ค) ภาพ PFM ของพื้นผิวของชั้น LT ด้านบน (ง) หน้าตัดตามแผนผังของท่อนำคลื่น LToI (จ) โปรไฟล์โหมด TE พื้นฐานที่คำนวณได้ และ (ฉ) ภาพ SEM ของแกนท่อนำคลื่น LToI ก่อนการสะสมชั้น SiO2 ตามที่แสดงในรูปที่ 1 (ข) ความหยาบของพื้นผิวน้อยกว่า 1 นาโนเมตร และไม่มีรอยขีดให้เห็น นอกจากนี้ เราตรวจสอบสถานะโพลาไรเซชันของชั้น LT ด้านบนโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงตอบสนองเพียโซอิเล็กทริก (PFM) ตามที่แสดงในรูปที่ 1 (ค) เราได้ยืนยันว่าโพลาไรเซชันที่สม่ำเสมอจะคงอยู่แม้หลังจากกระบวนการยึดติด
โดยใช้สารตั้งต้น LToI นี้ เราสามารถสร้างท่อนำคลื่นได้ดังนี้ ขั้นแรก จะทำการวางชั้นมาส์กโลหะเพื่อทำการแกะสลักแห้งของ LT ในขั้นตอนต่อไป จากนั้น จะทำการพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอน (EB) เพื่อกำหนดรูปแบบแกนท่อนำคลื่นที่ด้านบนชั้นมาส์กโลหะ ถัดมา เราจะถ่ายโอนรูปแบบต้านทาน EB ไปยังชั้นมาส์กโลหะผ่านการแกะสลักแห้ง หลังจากนั้น แกนท่อนำคลื่น LToI จะถูกสร้างขึ้นโดยใช้การแกะสลักพลาสมาด้วยอิเล็กตรอนไซโคลตรอนเรโซแนนซ์ (ECR) ในที่สุด ชั้นมาส์กโลหะจะถูกกำจัดออกผ่านกระบวนการแบบเปียก และทำการเคลือบชั้น SiO2 โดยใช้การสะสมไอเคมีที่เพิ่มด้วยพลาสมา รูปที่ 1 (d) แสดงหน้าตัดตามแผนผังของท่อนำคลื่น LToI ความสูงแกนรวม ความสูงของแผ่น และความกว้างแกนคือ 200 นาโนเมตร 100 นาโนเมตร และ 1,000 นาโนเมตร ตามลำดับ โปรดทราบว่าความกว้างแกนจะขยายเป็น 3 ไมโครเมตรที่ขอบท่อนำคลื่นสำหรับการเชื่อมต่อใยแก้วนำแสง
รูปที่ 1 (e) แสดงการกระจายความเข้มแสงที่คำนวณได้ของโหมดไฟฟ้าตามขวางพื้นฐาน (TE) ที่ 1,550 นาโนเมตร รูปที่ 1 (f) แสดงภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ของแกนท่อนำคลื่น LToI ก่อนการสะสมของชั้น SiO2
ลักษณะของท่อนำคลื่น:ขั้นแรก เราประเมินลักษณะการสูญเสียเชิงเส้นโดยป้อนแสงโพลาไรซ์ TE จากแหล่งปล่อยแสงที่ขยายความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตรลงในท่อนำคลื่น LToI ที่มีความยาวคลื่นแตกต่างกัน การสูญเสียการแพร่กระจายได้มาจากความชันของความสัมพันธ์ระหว่างความยาวท่อนำคลื่นและการส่งผ่านที่ความยาวคลื่นแต่ละความยาวคลื่น การสูญเสียการแพร่กระจายที่วัดได้คือ 0.32, 0.28 และ 0.26 dB/cm ที่ 1530, 1550 และ 1570 นาโนเมตร ตามลำดับ ดังที่แสดงในรูปที่ 2 (a) ท่อนำคลื่น LToI ที่ผลิตขึ้นแสดงประสิทธิภาพการสูญเสียต่ำที่เทียบเคียงได้กับท่อนำคลื่น LNoI ที่ทันสมัย [10]
จากนั้น เราประเมินความไม่เป็นเชิงเส้นของ χ(3) ผ่านการแปลงความยาวคลื่นที่สร้างขึ้นโดยกระบวนการผสมสี่คลื่น เราป้อนแสงปั๊มคลื่นต่อเนื่องที่ 1550.0 นาโนเมตรและแสงสัญญาณที่ 1550.6 นาโนเมตรลงในท่อนำคลื่นยาว 12 มม. ตามที่แสดงในรูปที่ 2 (b) ความเข้มของสัญญาณคลื่นแสงคอนจูเกตเฟส (ไอเดิล) เพิ่มขึ้นตามกำลังอินพุตที่เพิ่มขึ้น ภาพที่แทรกในรูปที่ 2 (b) แสดงสเปกตรัมเอาต์พุตทั่วไปของการผสมสี่คลื่น จากความสัมพันธ์ระหว่างกำลังอินพุตและประสิทธิภาพการแปลง เราประมาณค่าพารามิเตอร์ที่ไม่เป็นเชิงเส้น (γ) ไว้ที่ประมาณ 11 W^-1m
รูปที่ 3.(ก) ภาพกล้องจุลทรรศน์ของเรโซเนเตอร์วงแหวนที่สร้างขึ้น (ข) สเปกตรัมการส่งผ่านของเรโซเนเตอร์วงแหวนที่มีพารามิเตอร์ช่องว่างต่างๆ (ค) สเปกตรัมการส่งผ่านที่วัดได้และปรับด้วยลอเรนเซียนของเรโซเนเตอร์วงแหวนที่มีช่องว่าง 1,000 นาโนเมตร
จากนั้น เราประดิษฐ์แหวนเรโซเนเตอร์ LToI และประเมินคุณลักษณะของมัน รูปที่ 3 (a) แสดงภาพกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอลของแหวนเรโซเนเตอร์ที่ประดิษฐ์ขึ้น แหวนเรโซเนเตอร์มีลักษณะเป็น "แทร็กแข่ง" ประกอบด้วยส่วนโค้งที่มีรัศมี 100 µm และส่วนตรงยาว 100 µm ความกว้างของช่องว่างระหว่างแหวนและแกนเวฟไกด์บัสจะแตกต่างกันไปทีละ 200 นาโนเมตร โดยเฉพาะที่ 800, 1000 และ 1200 นาโนเมตร รูปที่ 3 (b) แสดงสเปกตรัมการส่งผ่านสำหรับช่องว่างแต่ละช่อง ซึ่งบ่งชี้ว่าอัตราส่วนการสูญพันธุ์จะเปลี่ยนแปลงไปตามขนาดช่องว่าง จากสเปกตรัมเหล่านี้ เรากำหนดได้ว่าช่องว่าง 1000 นาโนเมตรให้เงื่อนไขการจับคู่ที่เกือบจะวิกฤต เนื่องจากแสดงอัตราส่วนการสูญพันธุ์สูงสุดที่ -26 เดซิเบล
เราใช้เรโซเนเตอร์ที่เชื่อมต่อแบบวิกฤตเพื่อประเมินค่าปัจจัยคุณภาพ (ปัจจัย Q) โดยปรับสเปกตรัมการส่งสัญญาณเชิงเส้นให้เข้ากับเส้นโค้งลอเรนซ์ ทำให้ได้ปัจจัย Q ภายใน 1.1 ล้าน ดังแสดงในรูปที่ 3 (c) เท่าที่เรารู้ นี่เป็นการสาธิตครั้งแรกของเรโซเนเตอร์วงแหวน LToI ที่เชื่อมต่อด้วยท่อนำคลื่น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ค่าปัจจัย Q ที่เราได้มาจะสูงกว่าค่าของเรโซเนเตอร์ไมโครดิสก์ LToI ที่เชื่อมต่อด้วยไฟเบอร์อย่างมีนัยสำคัญ [9]
บทสรุป:เราพัฒนาท่อนำคลื่น LToI ที่มีค่าการสูญเสีย 0.28 dB/cm ที่ 1550 นาโนเมตร และค่า Q factor ของตัวสะท้อนริงที่ 1.1 ล้าน ประสิทธิภาพที่ได้นั้นเทียบได้กับท่อนำคลื่น LNoI ที่มีการสูญเสียต่ำซึ่งเป็นเทคโนโลยีล่าสุด นอกจากนี้ เรายังได้ศึกษาวิจัยความไม่เชิงเส้น χ(3) ของท่อนำคลื่น LToI ที่ผลิตขึ้นสำหรับการใช้งานแบบไม่เชิงเส้นบนชิป
เวลาโพสต์: 20 พ.ย. 2567