เชิงนามธรรม:เราได้พัฒนาท่อนำคลื่นลิเธียมแทนทาเลตที่ใช้ฉนวน 1550 นาโนเมตร โดยมีการสูญเสีย 0.28 dB/ซม. และตัวประกอบคุณภาพตัวสะท้อนเสียงแบบวงแหวน 1.1 ล้าน มีการศึกษาการประยุกต์ใช้ความไม่เชิงเส้นของ χ (3) ในโฟโตนิกส์แบบไม่เชิงเส้น ข้อดีของลิเธียมไนโอเบตบนฉนวน (LNoI) ซึ่งแสดงคุณสมบัติไม่เชิงเส้น χ(2) และ χ(3) ที่ยอดเยี่ยม พร้อมด้วยการจำกัดทางแสงที่แข็งแกร่งเนื่องจากโครงสร้าง "ฉนวนบน" ได้นำไปสู่ความก้าวหน้าที่สำคัญในเทคโนโลยีท่อนำคลื่นเพื่อความรวดเร็วเป็นพิเศษ โมดูเลเตอร์และโฟโตนิกแบบไม่เชิงเส้นแบบบูรณาการ [1-3] นอกจาก LN แล้ว ลิเธียมแทนทาเลต (LT) ยังได้รับการตรวจสอบว่าเป็นวัสดุโฟโตนิกที่ไม่เป็นเชิงเส้น เมื่อเปรียบเทียบกับ LN แล้ว LT มีเกณฑ์ความเสียหายทางแสงที่สูงกว่าและมีหน้าต่างโปร่งใสทางแสงที่กว้างขึ้น [4, 5] แม้ว่าพารามิเตอร์ทางแสง เช่น ดัชนีการหักเหของแสงและสัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้น จะคล้ายกับของ LN [6, 7] ดังนั้น LToI จึงโดดเด่นในฐานะวัสดุผู้สมัครที่แข็งแกร่งอีกชนิดหนึ่งสำหรับแอพพลิเคชั่นโฟโตนิกแบบไม่เชิงเส้นกำลังแสงสูง นอกจากนี้ LToI กำลังกลายเป็นวัสดุหลักสำหรับอุปกรณ์กรองคลื่นเสียงบนพื้นผิว (SAW) ซึ่งใช้ได้กับเทคโนโลยีมือถือและไร้สายความเร็วสูง ในบริบทนี้ เวเฟอร์ LToI อาจกลายเป็นวัสดุทั่วไปสำหรับการใช้งานโฟโตนิก อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน มีรายงานอุปกรณ์โฟโตนิกเพียงไม่กี่ตัวที่ใช้ LToI เช่น ตัวสะท้อนเสียงไมโครดิสก์ [8] และตัวเปลี่ยนเฟสด้วยไฟฟ้าออปติก [9] ในบทความนี้ เรานำเสนอท่อนำคลื่น LToI ที่มีการสูญเสียต่ำและการประยุกต์ของมันในตัวสะท้อนเสียงแบบวงแหวน นอกจากนี้ เรายังจัดเตรียมคุณลักษณะไม่เชิงเส้น χ(3) ของท่อนำคลื่น LToI ไว้ด้วย
ประเด็นสำคัญ:
• นำเสนอเวเฟอร์ LToI ขนาด 4 นิ้วถึง 6 นิ้ว ซึ่งเป็นเวเฟอร์ลิเธียมแทนทาเลตแบบฟิล์มบาง โดยมีความหนาของชั้นบนสุดตั้งแต่ 100 นาโนเมตรถึง 1500 นาโนเมตร โดยใช้เทคโนโลยีภายในประเทศและกระบวนการที่สมบูรณ์
• SINOI: เวเฟอร์ฟิล์มบางซิลิคอนไนไตรด์ที่มีการสูญเสียต่ำเป็นพิเศษ
• SICOI: สารตั้งต้นแบบฟิล์มบางของซิลิคอนคาร์ไบด์กึ่งฉนวนความบริสุทธิ์สูงสำหรับวงจรรวมโฟโตนิกของซิลิคอนคาร์ไบด์
• LTOI: คู่แข่งที่แข็งแกร่งของลิเธียมไนโอเบต เวเฟอร์ลิเธียมแทนทาเลตแบบฟิล์มบาง
• LNOI: LNOI ขนาด 8 นิ้ว รองรับการผลิตจำนวนมากของผลิตภัณฑ์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางขนาดใหญ่ขึ้น
การผลิตท่อนำคลื่นฉนวน:ในการศึกษานี้ เราใช้เวเฟอร์ LToI ขนาด 4 นิ้ว เลเยอร์ LT ด้านบนเป็นซับสเตรต LT ตัด Y ที่หมุนเชิงพาณิชย์ 42° สำหรับอุปกรณ์ SAW ซึ่งเชื่อมติดกับซับสเตรต Si โดยตรงด้วยชั้นเทอร์มอลออกไซด์หนา 3 µm โดยใช้กระบวนการตัดอัจฉริยะ รูปที่ 1(a) แสดงมุมมองด้านบนของเวเฟอร์ LToI โดยมีความหนาของชั้น LT ด้านบนอยู่ที่ 200 นาโนเมตร เราประเมินความหยาบผิวของชั้น LT ด้านบนโดยใช้กล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอม (AFM)
รูปที่ 1.(a) มุมมองด้านบนของเวเฟอร์ LToI (b) ภาพ AFM ของพื้นผิวของเลเยอร์ LT ด้านบน (c) ภาพ PFM ของพื้นผิวของเลเยอร์ LT ด้านบน (d) ภาพตัดขวางแผนผังของท่อนำคลื่น LToI (e) โปรไฟล์โหมด TE พื้นฐานที่คำนวณได้ และ (f) ภาพ SEM ของแกนท่อนำคลื่น LToI ก่อนการสะสมของชั้น SiO2 ดังแสดงในรูปที่ 1 (b) ความหยาบของพื้นผิวน้อยกว่า 1 นาโนเมตร และไม่พบเส้นรอยขีดข่วน นอกจากนี้เรายังตรวจสอบสถานะโพลาไรเซชันของเลเยอร์ LT ด้านบนโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงตอบสนองแบบเพียโซอิเล็กทริก (PFM) ดังแสดงในรูปที่ 1 (c) เรายืนยันว่าโพลาไรเซชันที่สม่ำเสมอยังคงอยู่แม้หลังจากกระบวนการเชื่อมติดแล้ว
การใช้สารตั้งต้น LToI นี้ เราได้สร้างท่อนำคลื่นดังต่อไปนี้ ขั้นแรก ให้เคลือบชั้นหน้ากากโลหะไว้เพื่อการกัด LT แบบแห้งในภายหลัง จากนั้น ดำเนินการพิมพ์หินลำแสงอิเล็กตรอน (EB) เพื่อกำหนดรูปแบบแกนท่อนำคลื่นที่ด้านบนของชั้นหน้ากากโลหะ ต่อไป เราได้ถ่ายโอนรูปแบบการต้านทาน EB ไปยังชั้นหน้ากากโลหะผ่านการกัดแบบแห้ง หลังจากนั้น แกนท่อนำคลื่น LToI ถูกสร้างขึ้นโดยใช้การกัดพลาสมาของอิเล็กตรอนไซโคลตรอนเรโซแนนซ์ (ECR) สุดท้าย ชั้นหน้ากากโลหะถูกเอาออกโดยกระบวนการเปียก และชั้นเคลือบ SiO2 ถูกสะสมโดยใช้การสะสมไอสารเคมีที่เสริมพลาสมา รูปที่ 1 (d) แสดงภาพตัดขวางของแผนผังท่อนำคลื่น LToI ความสูงแกนรวม ความสูงของแผ่น และความกว้างแกนคือ 200 นาโนเมตร, 100 นาโนเมตร และ 1,000 นาโนเมตร ตามลำดับ โปรดทราบว่าความกว้างของแกนจะขยายเป็น 3 µm ที่ขอบท่อนำคลื่นสำหรับการต่อพ่วงใยแก้วนำแสง
รูปที่ 1 (e) แสดงการกระจายความเข้มของแสงที่คำนวณได้ของโหมดไฟฟ้าตามขวางพื้นฐาน (TE) ที่ 1,550 นาโนเมตร รูปที่ 1 (f) แสดงภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ของแกนท่อนำคลื่น LToI ก่อนการสะสมของชั้นซ้อนทับ SiO2
ลักษณะท่อนำคลื่น:ก่อนอื่นเราประเมินคุณลักษณะการสูญเสียเชิงเส้นโดยการป้อนแสงโพลาไรซ์ TE จากความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตรที่ขยายแหล่งกำเนิดการเปล่งแสงที่เกิดขึ้นเองลงในท่อนำคลื่น LToI ที่มีความยาวต่างกัน การสูญเสียการแพร่กระจายได้มาจากความชันของความสัมพันธ์ระหว่างความยาวท่อนำคลื่นและการส่งผ่านที่แต่ละความยาวคลื่น การสูญเสียการแพร่กระจายที่วัดได้คือ 0.32, 0.28 และ 0.26 dB/cm ที่ 1530, 1550 และ 1570 นาโนเมตร ตามลำดับ ดังแสดงในรูปที่ 2 (a) ท่อนำคลื่น LToI ที่ประดิษฐ์ขึ้นแสดงประสิทธิภาพการสูญเสียต่ำที่เทียบได้กับท่อนำคลื่น LNoI ที่ล้ำสมัย [10]
ต่อไป เราประเมินความไม่เชิงเส้น χ (3) ผ่านการแปลงความยาวคลื่นที่สร้างโดยกระบวนการผสมสี่คลื่น เราป้อนไฟปั๊มคลื่นต่อเนื่องที่ 1550.0 นาโนเมตร และไฟสัญญาณที่ 1550.6 นาโนเมตร ลงในท่อนำคลื่นยาว 12 มม. ดังที่แสดงในรูปที่ 2 (b) ความเข้มของสัญญาณคลื่นแสงเฟสคอนจูเกต (คนขี้เกียจ) เพิ่มขึ้นตามกำลังอินพุตที่เพิ่มขึ้น สิ่งที่ใส่เข้าไปในรูปที่ 2 (b) แสดงสเปกตรัมเอาต์พุตทั่วไปของการผสมสี่คลื่น จากความสัมพันธ์ระหว่างกำลังไฟฟ้าเข้าและประสิทธิภาพการแปลง เราประมาณค่าพารามิเตอร์ไม่เชิงเส้น (γ) ให้อยู่ที่ประมาณ 11 W^-1m
รูปที่ 3.(a) ภาพกล้องจุลทรรศน์ของเครื่องสะท้อนเสียงแบบวงแหวนประดิษฐ์ (b) สเปกตรัมการส่งผ่านของเครื่องสะท้อนเสียงแบบวงแหวนพร้อมพารามิเตอร์ช่องว่างต่างๆ (c) สเปกตรัมการส่งผ่านที่วัดและติดตั้งโดย Lorentzian ของตัวสะท้อนเสียงแบบวงแหวนที่มีช่องว่าง 1,000 นาโนเมตร
ต่อไป เราประดิษฐ์เครื่องสะท้อนเสียงแบบวงแหวน LToI และประเมินคุณลักษณะของมัน รูปที่ 3 (a) แสดงภาพกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงของเครื่องสะท้อนเสียงแบบวงแหวนที่ประดิษฐ์ขึ้น เครื่องสะท้อนเสียงแบบวงแหวนมีลักษณะเป็น "สนามแข่ง" ซึ่งประกอบด้วยบริเวณโค้งที่มีรัศมี 100 µm และบริเวณทางตรงที่มีความยาว 100 µm ความกว้างของช่องว่างระหว่างวงแหวนและแกนท่อนำคลื่นบัสจะแตกต่างกันไปโดยเพิ่มขึ้นทีละ 200 นาโนเมตร โดยเฉพาะที่ 800, 1000 และ 1200 นาโนเมตร รูปที่ 3 (b) แสดงสเปกตรัมการส่งผ่านสำหรับแต่ละช่องว่าง ซึ่งบ่งชี้ว่าอัตราส่วนการสูญเสียเปลี่ยนแปลงไปตามขนาดช่องว่าง จากสเปกตรัมเหล่านี้ เราพบว่าช่องว่าง 1,000 นาโนเมตรทำให้เกิดสภาวะการเชื่อมต่อที่เกือบจะวิกฤต เนื่องจากมีอัตราการสูญพันธุ์สูงสุดที่ -26 dB
ด้วยการใช้เครื่องสะท้อนเสียงคู่วิกฤต เราประเมินปัจจัยด้านคุณภาพ (ปัจจัย Q) โดยปรับสเปกตรัมการส่งผ่านเชิงเส้นให้เหมาะสมด้วยเส้นโค้ง Lorentzian โดยได้ค่าปัจจัย Q ภายใน 1.1 ล้าน ดังแสดงในรูปที่ 3 (c) ตามความรู้ของเรา นี่เป็นการสาธิตครั้งแรกของตัวสะท้อนเสียงแหวน LToI ที่ควบคู่กับท่อนำคลื่น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ค่าปัจจัย Q ที่เราได้รับนั้นสูงกว่าค่าตัวสะท้อนเสียงไมโครดิสก์ LToI แบบไฟเบอร์คู่อย่างมีนัยสำคัญ [9]
บทสรุป:เราได้พัฒนาท่อนำคลื่น LToI ที่มีการสูญเสีย 0.28 dB/cm ที่ 1550 นาโนเมตร และปัจจัย Q ของตัวสะท้อนเสียงแบบวงแหวนที่ 1.1 ล้าน ประสิทธิภาพที่ได้รับเทียบได้กับท่อนำคลื่น LNoI การสูญเสียต่ำที่ล้ำสมัย นอกจากนี้เรายังตรวจสอบความไม่เชิงเส้น χ (3) ของท่อนำคลื่น LToI ที่ผลิตขึ้นสำหรับแอปพลิเคชันแบบไม่เชิงเส้นบนชิป
เวลาโพสต์: 20 พ.ย.-2024