เชิงนามธรรม:เราได้พัฒนาท่อนำคลื่นลิเธียมแทนทาเลตแบบฉนวนความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตร ซึ่งมีการสูญเสีย 0.28 เดซิเบล/เซนติเมตร และตัวประกอบคุณภาพตัวสะท้อนวงแหวนที่ 1.1 ล้าน ได้มีการศึกษาการประยุกต์ใช้ความไม่เชิงเส้น χ(3) ในโฟโตนิกส์แบบไม่เชิงเส้น ข้อดีของลิเธียมไนโอเบตแบบฉนวน (LNoI) ซึ่งแสดงคุณสมบัติแบบไม่เชิงเส้น χ(2) และ χ(3) ที่ยอดเยี่ยม พร้อมกับการจำกัดแสงที่แข็งแกร่งเนื่องจากโครงสร้าง "ฉนวนบน" ได้นำไปสู่ความก้าวหน้าที่สำคัญในเทคโนโลยีท่อนำคลื่นสำหรับมอดูเลเตอร์ความเร็วสูงและโฟโตนิกส์แบบไม่เชิงเส้นแบบบูรณาการ [1-3] นอกจาก LN แล้ว ลิเธียมแทนทาเลต (LT) ยังถูกศึกษาในฐานะวัสดุโฟโตนิกส์แบบไม่เชิงเส้นอีกด้วย เมื่อเปรียบเทียบกับ LN แล้ว LT มีเกณฑ์ความเสียหายทางแสงที่สูงกว่าและหน้าต่างความโปร่งใสทางแสงที่กว้างกว่า [4, 5] แม้ว่าพารามิเตอร์ทางแสง เช่น ดัชนีหักเหและค่าสัมประสิทธิ์แบบไม่เชิงเส้น จะใกล้เคียงกับ LN [6, 7] ดังนั้น LToI จึงโดดเด่นในฐานะวัสดุตัวเลือกที่แข็งแกร่งอีกชนิดหนึ่งสำหรับการใช้งานโฟโตนิกส์แบบไม่เชิงเส้นที่มีกำลังแสงสูง นอกจากนี้ LToI กำลังกลายเป็นวัสดุหลักสำหรับอุปกรณ์กรองคลื่นเสียงพื้นผิว (SAW) ซึ่งนำไปใช้ในเทคโนโลยีเคลื่อนที่และไร้สายความเร็วสูง ในบริบทนี้ เวเฟอร์ LToI อาจกลายเป็นวัสดุที่พบได้ทั่วไปมากขึ้นสำหรับการใช้งานโฟโตนิกส์ อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน มีรายงานอุปกรณ์โฟโตนิกส์ที่ใช้ LToI เพียงไม่กี่ชนิด เช่น เรโซเนเตอร์ไมโครดิสก์ [8] และตัวเลื่อนเฟสอิเล็กโทรออปติก [9] ในบทความนี้ เราจะนำเสนอท่อนำคลื่น LToI ที่มีการสูญเสียต่ำและการประยุกต์ใช้ในเรโซเนเตอร์แบบวงแหวน นอกจากนี้ เรายังนำเสนอลักษณะไม่เชิงเส้น χ(3) ของท่อนำคลื่น LToI
ประเด็นสำคัญ:
• นำเสนอเวเฟอร์ LToI ขนาด 4 นิ้วถึง 6 นิ้ว เวเฟอร์ลิเธียมแทนทาเลตแบบฟิล์มบางที่มีความหนาของชั้นบนสุดตั้งแต่ 100 นาโนเมตรถึง 1,500 นาโนเมตร โดยใช้เทคโนโลยีในประเทศและกระบวนการที่ครบวงจร
• SINOI: เวเฟอร์ฟิล์มบางซิลิกอนไนไตรด์ที่มีการสูญเสียต่ำพิเศษ
• SICOI: แผ่นฟิล์มบางซิลิกอนคาร์ไบด์กึ่งฉนวนที่มีความบริสุทธิ์สูงสำหรับวงจรรวมโฟโตนิกซิลิกอนคาร์ไบด์
• LTOI: คู่แข่งที่แข็งแกร่งของลิเธียมไนโอเบต เวเฟอร์ลิเธียมแทนทาเลตแบบฟิล์มบาง
• LNOI: LNOI ขนาด 8 นิ้ว รองรับการผลิตจำนวนมากของผลิตภัณฑ์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางในปริมาณมากขึ้น
การผลิตบนท่อนำคลื่นฉนวน:ในการศึกษานี้ เราใช้เวเฟอร์ LToI ขนาด 4 นิ้ว ชั้น LT ด้านบนเป็นแผ่นรองรับ LT แบบ Y-cut เชิงพาณิชย์ที่หมุน 42 องศาสำหรับอุปกรณ์ SAW ซึ่งยึดติดกับแผ่นรองรับ Si โดยตรงด้วยชั้นออกไซด์ความร้อนหนา 3 ไมโครเมตร โดยใช้กระบวนการตัดแบบอัจฉริยะ รูปที่ 1(a) แสดงภาพด้านบนของเวเฟอร์ LToI โดยมีความหนาของชั้น LT ด้านบน 200 นาโนเมตร เราประเมินความหยาบผิวของชั้น LT ด้านบนโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM)

รูปที่ 1.(ก) ภาพด้านบนของเวเฟอร์ LToI (ข) ภาพ AFM ของพื้นผิวของชั้น LT ด้านบน (ค) ภาพ PFM ของพื้นผิวของชั้น LT ด้านบน (ง) ภาพตัดขวางแผนผังของท่อนำคลื่น LToI (จ) โปรไฟล์โหมด TE พื้นฐานที่คำนวณได้ และ (ฉ) ภาพ SEM ของแกนท่อนำคลื่น LToI ก่อนการสะสมชั้น SiO2 ดังแสดงในรูปที่ 1 (ข) ความหยาบของพื้นผิวน้อยกว่า 1 นาโนเมตร และไม่พบรอยขีด นอกจากนี้ เราได้ตรวจสอบสถานะโพลาไรเซชันของชั้น LT ด้านบนโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงตอบสนองแบบเพียโซอิเล็กทริก (PFM) ดังแสดงในรูปที่ 1 (ค) เรายืนยันว่าโพลาไรเซชันยังคงสม่ำเสมอแม้หลังจากกระบวนการยึดติด
โดยใช้วัสดุรองรับ LToI นี้ เราได้ประดิษฐ์ท่อนำคลื่นดังต่อไปนี้ ขั้นแรก เคลือบชั้นมาส์กโลหะสำหรับการกัดแห้งของ LT ต่อไป จากนั้นทำการพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอน (EB) เพื่อกำหนดรูปแบบแกนของท่อนำคลื่นที่อยู่ด้านบนของชั้นมาส์กโลหะ ต่อไป เราได้ถ่ายโอนรูปแบบต้านทาน EB ไปยังชั้นมาส์กโลหะผ่านการกัดแห้ง หลังจากนั้น แกนของท่อนำคลื่น LToI ถูกสร้างขึ้นโดยใช้การกัดพลาสมาด้วยอิเล็กตรอนไซโคลตรอนเรโซแนนซ์ (ECR) ในที่สุด ชั้นมาส์กโลหะจะถูกกำจัดออกด้วยกระบวนการแบบเปียก และเคลือบชั้น SiO2 ทับโดยใช้การสะสมไอเคมีที่เสริมด้วยพลาสมา รูปที่ 1 (d) แสดงภาพตัดขวางของท่อนำคลื่น LToI ความสูงแกนรวม ความสูงของแผ่น และความกว้างแกนคือ 200 นาโนเมตร 100 นาโนเมตร และ 1,000 นาโนเมตร ตามลำดับ โปรดทราบว่าความกว้างแกนขยายเป็น 3 ไมโครเมตรที่ขอบของท่อนำคลื่นสำหรับการเชื่อมต่อใยแก้วนำแสง
รูปที่ 1 (e) แสดงการกระจายความเข้มแสงที่คำนวณได้ของโหมดไฟฟ้าตามขวางพื้นฐาน (TE) ที่ความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตร รูปที่ 1 (f) แสดงภาพแกนของท่อนำคลื่น LToI ก่อนการสะสมชั้น SiO2 จากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM)
ลักษณะของท่อนำคลื่น:ขั้นแรก เราได้ประเมินลักษณะการสูญเสียเชิงเส้นโดยการป้อนแสงโพลาไรซ์ TE จากแหล่งกำเนิดการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองที่ขยายความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตร เข้าไปในท่อนำคลื่น LToI ที่มีความยาวคลื่นแตกต่างกัน การสูญเสียการแพร่กระจายได้มาจากความชันของความสัมพันธ์ระหว่างความยาวของท่อนำคลื่นและการส่งผ่านที่ความยาวคลื่นแต่ละความยาวคลื่น การสูญเสียการแพร่กระจายที่วัดได้คือ 0.32, 0.28 และ 0.26 เดซิเบล/ซม. ที่ความยาวคลื่น 1530, 1550 และ 1570 นาโนเมตร ตามลำดับ ดังแสดงในรูปที่ 2 (a) ท่อนำคลื่น LToI ที่ผลิตขึ้นมีประสิทธิภาพการสูญเสียต่ำเทียบเท่ากับท่อนำคลื่น LNoI ที่ทันสมัย [10]
ต่อไป เราได้ประเมินความไม่เชิงเส้นของ χ(3) ผ่านการแปลงความยาวคลื่นที่เกิดจากกระบวนการผสมสี่คลื่น เราป้อนแสงปั๊มคลื่นต่อเนื่องที่ 1550.0 นาโนเมตร และแสงสัญญาณที่ 1550.6 นาโนเมตร เข้าไปในท่อนำคลื่นยาว 12 มิลลิเมตร ดังแสดงในรูปที่ 2 (b) ความเข้มของสัญญาณคลื่นแสงคอนจูเกตเฟส (ไอเดลอร์) เพิ่มขึ้นตามกำลังไฟฟ้าขาเข้าที่เพิ่มขึ้น ภาพแทรกในรูปที่ 2 (b) แสดงสเปกตรัมเอาต์พุตทั่วไปของการผสมสี่คลื่น จากความสัมพันธ์ระหว่างกำลังไฟฟ้าขาเข้าและประสิทธิภาพการแปลง เราประมาณค่าพารามิเตอร์ไม่เชิงเส้น (γ) ไว้ที่ประมาณ 11 W^-1m

รูปที่ 3.(ก) ภาพกล้องจุลทรรศน์ของเรโซเนเตอร์วงแหวนที่สร้างขึ้น (ข) สเปกตรัมการส่งผ่านของเรโซเนเตอร์วงแหวนที่มีพารามิเตอร์ช่องว่างต่างๆ (ค) สเปกตรัมการส่งผ่านที่วัดได้และปรับลอเรนเซียนของเรโซเนเตอร์วงแหวนที่มีช่องว่าง 1,000 นาโนเมตร
ต่อไป เราได้ประดิษฐ์เรโซเนเตอร์แบบวงแหวน LToI และประเมินคุณลักษณะของมัน รูปที่ 3 (a) แสดงภาพจากกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคัลของเรโซเนเตอร์แบบวงแหวนที่สร้างขึ้น เรโซเนเตอร์แบบวงแหวนมีโครงสร้างแบบ "รางวิ่ง" ประกอบด้วยส่วนโค้งที่มีรัศมี 100 ไมโครเมตร และส่วนตรงที่มีความยาว 100 ไมโครเมตร ความกว้างของช่องว่างระหว่างวงแหวนและแกนนำคลื่นบัสจะแตกต่างกันไปทีละ 200 นาโนเมตร โดยเฉพาะที่ 800, 1000 และ 1200 นาโนเมตร รูปที่ 3 (b) แสดงสเปกตรัมการส่งผ่านสำหรับแต่ละช่องว่าง ซึ่งบ่งชี้ว่าอัตราส่วนการสูญพันธุ์เปลี่ยนแปลงไปตามขนาดของช่องว่าง จากสเปกตรัมเหล่านี้ เราพบว่าช่องว่าง 1000 นาโนเมตรมีสภาวะการควบคู่ที่เกือบวิกฤต เนื่องจากมีอัตราส่วนการสูญพันธุ์สูงสุดที่ -26 เดซิเบล
เราใช้เรโซเนเตอร์แบบมีการเชื่อมต่อแบบวิกฤตเพื่อประเมินค่าตัวประกอบคุณภาพ (Q factor) โดยการปรับสเปกตรัมการส่งสัญญาณเชิงเส้นให้เข้ากับเส้นโค้งลอเรนซ์ ทำให้ได้ค่าตัวประกอบ Q ภายในเท่ากับ 1.1 ล้าน ดังแสดงในรูปที่ 3 (c) เท่าที่เราทราบ นี่เป็นการสาธิตครั้งแรกของเรโซเนเตอร์แบบวงแหวน LToI ที่มีท่อนำคลื่นเชื่อมต่อ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ค่าตัวประกอบ Q ที่เราทำได้นั้นสูงกว่าค่าตัวประกอบ Q ของเรโซเนเตอร์ไมโครดิสก์ LToI ที่มีไฟเบอร์เชื่อมต่ออย่างมีนัยสำคัญ [9]
บทสรุป:เราได้พัฒนาท่อนำคลื่น LToI ที่มีการสูญเสีย 0.28 เดซิเบล/ซม. ที่ความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตร และตัวสะท้อนความถี่แบบริงเรโซเนเตอร์ Q แฟกเตอร์ 1.1 ล้าน ประสิทธิภาพที่ได้เทียบเท่ากับท่อนำคลื่น LToI ที่มีการสูญเสียต่ำที่ทันสมัย นอกจากนี้ เรายังศึกษาความไม่เชิงเส้น χ(3) ของท่อนำคลื่น LToI ที่ผลิตขึ้นสำหรับการใช้งานแบบไม่เชิงเส้นบนชิป
เวลาโพสต์: 20 พ.ย. 2567