सारांश:हामीले ०.२८ dB/cm को क्षति र १.१ मिलियनको रिंग रेजोनेटर गुणस्तर कारकको साथ १५५० nm इन्सुलेटर-आधारित लिथियम ट्यान्टालेट वेभगाइड विकास गरेका छौं। ननलाइनर फोटोनिक्समा χ(3) ननलाइनरिटीको प्रयोगको अध्ययन गरिएको छ। लिथियम नियोबेट अन इन्सुलेटर (LNoI) का फाइदाहरू, जसले उत्कृष्ट χ(2) र χ(3) ननलाइनर गुणहरू प्रदर्शन गर्दछ र यसको "इन्सुलेटर-अन" संरचनाको कारणले बलियो अप्टिकल कन्फिनमेन्टको साथ, अल्ट्राफास्ट मोड्युलेटरहरू र एकीकृत ननलाइनर फोटोनिक्सको लागि वेभगाइड प्रविधिमा महत्त्वपूर्ण प्रगति गरेको छ [1-3]। LN को अतिरिक्त, लिथियम ट्यान्टालेट (LT) लाई ननलाइनर फोटोनिक सामग्रीको रूपमा पनि अनुसन्धान गरिएको छ। LN को तुलनामा, LT मा उच्च अप्टिकल क्षति थ्रेसहोल्ड र फराकिलो अप्टिकल पारदर्शिता विन्डो [4, 5] छ, यद्यपि यसको अप्टिकल प्यारामिटरहरू, जस्तै अपवर्तक सूचकांक र ननलाइनर गुणांकहरू, LN जस्तै छन् [6, 7]। यसरी, LToI उच्च अप्टिकल पावर ननलाइनर फोटोनिक अनुप्रयोगहरूको लागि अर्को बलियो उम्मेदवार सामग्रीको रूपमा बाहिर खडा छ। यसबाहेक, LToI उच्च-गति मोबाइल र वायरलेस प्रविधिहरूमा लागू हुने सतह ध्वनिक तरंग (SAW) फिल्टर उपकरणहरूको लागि प्राथमिक सामग्री बन्दैछ। यस सन्दर्भमा, LToI वेफरहरू फोटोनिक अनुप्रयोगहरूको लागि बढी सामान्य सामग्री बन्न सक्छन्। यद्यपि, आजसम्म, LToI मा आधारित केही फोटोनिक उपकरणहरू मात्र रिपोर्ट गरिएको छ, जस्तै माइक्रोडिस्क रेजोनेटरहरू [8] र इलेक्ट्रो-अप्टिक फेज शिफ्टरहरू [9]। यस पेपरमा, हामी कम-क्षति LToI वेभगाइड र रिंग रेजोनेटरमा यसको अनुप्रयोग प्रस्तुत गर्दछौं। थप रूपमा, हामी LToI वेभगाइडको χ(3) ननलाइनर विशेषताहरू प्रदान गर्दछौं।
मुख्य बुँदाहरू:
• घरेलु प्रविधि र परिपक्व प्रक्रियाहरू प्रयोग गर्दै, ४-इन्च देखि ६-इन्च LToI वेफरहरू, पातलो-फिल्म लिथियम ट्यान्टालेट वेफरहरू प्रदान गर्दै, जसको माथिल्लो तह मोटाई १०० nm देखि १५०० nm सम्म हुन्छ।
• SINOI: अल्ट्रा-लो लस सिलिकन नाइट्राइड पातलो-फिल्म वेफरहरू।
• SICOI: सिलिकन कार्बाइड फोटोनिक एकीकृत सर्किटहरूको लागि उच्च-शुद्धता अर्ध-इन्सुलेटिङ सिलिकन कार्बाइड पातलो-फिल्म सब्सट्रेटहरू।
• LTOI: लिथियम निओबेट, पातलो-फिल्म लिथियम ट्यान्टालेट वेफरहरूको बलियो प्रतिस्पर्धी।
• LNOI: ८-इन्च LNOI ले ठूला-स्तरीय पातलो-फिल्म लिथियम नियोबेट उत्पादनहरूको ठूलो उत्पादनलाई समर्थन गर्दछ।
इन्सुलेटर वेभगाइडहरूमा निर्माण:यस अध्ययनमा, हामीले ४-इन्च LToI वेफरहरू प्रयोग गर्यौं। माथिल्लो LT तह SAW उपकरणहरूको लागि व्यावसायिक ४२° घुमाइएको Y-कट LT सब्सट्रेट हो, जुन ३ µm बाक्लो थर्मल अक्साइड तहको साथ Si सब्सट्रेटमा सिधै बाँधिएको हुन्छ, जसले स्मार्ट काट्ने प्रक्रिया प्रयोग गर्दछ। चित्र १(a) ले २०० nm को माथिल्लो LT तह मोटाईको साथ LToI वेफरको शीर्ष दृश्य देखाउँछ। हामीले परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (AFM) प्रयोग गरेर माथिल्लो LT तहको सतह खुरदरापनको मूल्याङ्कन गर्यौं।
चित्र १।(a) LToI वेफरको माथिल्लो दृश्य, (b) माथिल्लो LT तहको सतहको AFM छवि, (c) माथिल्लो LT तहको सतहको PFM छवि, (d) LToI तरंगगाइडको योजनाबद्ध क्रस-सेक्शन, (e) गणना गरिएको आधारभूत TE मोड प्रोफाइल, र (f) SiO2 ओभरलेयर निक्षेपण अघि LToI तरंगगाइड कोरको SEM छवि। चित्र १ (b) मा देखाइए अनुसार, सतहको खुरदरापन १ nm भन्दा कम छ, र कुनै स्क्र्याच लाइनहरू अवलोकन गरिएको छैन। थप रूपमा, हामीले चित्र १ (c) मा चित्रण गरिए अनुसार, piezoelectric प्रतिक्रिया बल माइक्रोस्कोपी (PFM) प्रयोग गरेर शीर्ष LT तहको ध्रुवीकरण अवस्थाको जाँच गर्यौं। हामीले पुष्टि गर्यौं कि बन्धन प्रक्रिया पछि पनि एकरूप ध्रुवीकरण कायम राखिएको थियो।
यो LToI सब्सट्रेट प्रयोग गरेर, हामीले वेभगाइडलाई निम्नानुसार बनायौं। पहिले, LT को पछिल्ला ड्राई एचिंगको लागि धातुको मास्क तह जम्मा गरिएको थियो। त्यसपछि, धातुको मास्क तहको माथि वेभगाइड कोर ढाँचा परिभाषित गर्न इलेक्ट्रोन बीम (EB) लिथोग्राफी गरिएको थियो। अर्को, हामीले ड्राई एचिंग मार्फत EB प्रतिरोध ढाँचालाई मेटल मास्क तहमा स्थानान्तरण गर्यौं। त्यसपछि, इलेक्ट्रोन साइक्लोट्रोन अनुनाद (ECR) प्लाज्मा एचिंग प्रयोग गरेर LToI वेभगाइड कोर बनाइएको थियो। अन्तमा, भिजेको प्रक्रिया मार्फत धातुको मास्क तह हटाइयो, र प्लाज्मा-बृद्धि गरिएको रासायनिक वाष्प निक्षेपण प्रयोग गरेर SiO2 ओभरलेयर जम्मा गरिएको थियो। चित्र १ (d) ले LToI वेभगाइडको योजनाबद्ध क्रस-सेक्शन देखाउँछ। कुल कोर उचाइ, प्लेट उचाइ, र कोर चौडाइ क्रमशः २०० nm, १०० nm, र १००० nm छन्। ध्यान दिनुहोस् कि अप्टिकल फाइबर युग्मनको लागि वेभगाइड किनारामा कोर चौडाइ ३ µm मा विस्तार हुन्छ।
चित्र १ (e) ले १५५० nm मा आधारभूत ट्रान्सभर्स इलेक्ट्रिक (TE) मोडको गणना गरिएको अप्टिकल तीव्रता वितरण देखाउँछ। चित्र १ (f) ले SiO2 ओभरलेयरको निक्षेपण अघि LToI वेभगाइड कोरको स्क्यानिङ इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोप (SEM) छवि देखाउँछ।
वेभगाइड विशेषताहरू:हामीले पहिले १५५० एनएम तरंगदैर्ध्य प्रवर्धित सहज उत्सर्जन स्रोतबाट TE-ध्रुवीकृत प्रकाशलाई विभिन्न लम्बाइका LToI तरंगमार्गहरूमा इनपुट गरेर रेखीय क्षति विशेषताहरूको मूल्याङ्कन गर्यौं। प्रसार क्षति प्रत्येक तरंगदैर्ध्यमा तरंगदैर्ध्य लम्बाइ र प्रसारण बीचको सम्बन्धको ढलानबाट प्राप्त गरिएको थियो। मापन गरिएको प्रसार क्षति १५३०, १५५०, र १५७० एनएममा क्रमशः ०.३२, ०.२८, र ०.२६ dB/cm थियो, जुन चित्र २ (a) मा देखाइएको छ। निर्मित LToI तरंगमार्गहरूले अत्याधुनिक LNoI तरंगमार्गहरू [10] सँग तुलनात्मक कम-क्षति प्रदर्शन प्रदर्शन गरे।
अर्को, हामीले चार-तरंग मिश्रण प्रक्रियाद्वारा उत्पन्न तरंगदैर्ध्य रूपान्तरण मार्फत χ(3) गैर-रेखीयताको मूल्याङ्कन गर्यौं। हामीले १५५०.० एनएममा निरन्तर तरंग पम्प प्रकाश र १५५०.६ एनएममा सिग्नल प्रकाश १२ मिमी लामो तरंगगाइडमा इनपुट गर्यौं। चित्र २ (ख) मा देखाइए अनुसार, बढ्दो इनपुट शक्तिसँगै चरण-संयुग्मित (निष्क्रिय) प्रकाश तरंग संकेत तीव्रता बढ्यो। चित्र २ (ख) मा इनसेटले चार-तरंग मिश्रणको विशिष्ट आउटपुट स्पेक्ट्रम देखाउँछ। इनपुट शक्ति र रूपान्तरण दक्षता बीचको सम्बन्धबाट, हामीले गैर-रेखीय प्यारामिटर (γ) लगभग ११ W^-१m हुने अनुमान गर्यौं।
चित्र ३।(क) बनाइएको रिंग रेजोनेटरको माइक्रोस्कोप छवि। (ख) विभिन्न ग्याप प्यारामिटरहरू सहितको रिंग रेजोनेटरको ट्रान्समिशन स्पेक्ट्रा। (ग) १००० एनएमको ग्याप भएको रिंग रेजोनेटरको मापन गरिएको र लोरेन्ट्जियन-फिट गरिएको ट्रान्समिशन स्पेक्ट्रम।
अर्को, हामीले LToI रिंग रेजोनेटर बनायौं र यसको विशेषताहरूको मूल्याङ्कन गर्यौं। चित्र ३ (क) ले बनावटी रिंग रेजोनेटरको अप्टिकल माइक्रोस्कोप छवि देखाउँछ। रिंग रेजोनेटरमा "रेसट्र्याक" कन्फिगरेसन छ, जसमा १०० µm को त्रिज्या भएको घुमाउरो क्षेत्र र १०० µm लम्बाइको सीधा क्षेत्र समावेश छ। रिंग र बस वेभगाइड कोर बीचको अन्तर चौडाइ २०० nm को वृद्धिमा भिन्न हुन्छ, विशेष गरी ८००, १०००, र १२०० nm मा। चित्र ३ (ख) ले प्रत्येक अन्तरको लागि प्रसारण स्पेक्ट्रा प्रदर्शन गर्दछ, जसले विलुप्तता अनुपात अन्तरको आकारसँगै परिवर्तन हुन्छ भनेर संकेत गर्दछ। यी स्पेक्ट्राबाट, हामीले निर्धारण गर्यौं कि १००० nm अन्तरले लगभग महत्वपूर्ण युग्मन अवस्थाहरू प्रदान गर्दछ, किनकि यसले -२६ dB को उच्चतम विलुप्तता अनुपात प्रदर्शन गर्दछ।
क्रिटिकली कप्ल्ड रेजोनेटर प्रयोग गरेर, हामीले लेनियर ट्रान्समिशन स्पेक्ट्रमलाई लोरेन्ट्जियन कर्भसँग फिट गरेर गुणस्तर कारक (Q कारक) अनुमान गर्यौं, चित्र ३ (c) मा देखाइए अनुसार १.१ मिलियनको आन्तरिक Q कारक प्राप्त गर्यौं। हाम्रो ज्ञान अनुसार, यो वेभगाइड-कप्ल्ड LToI रिंग रेजोनेटरको पहिलो प्रदर्शन हो। उल्लेखनीय रूपमा, हामीले प्राप्त गरेको Q कारक मान फाइबर-कप्ल्ड LToI माइक्रोडिस्क रेजोनेटरहरू [9] भन्दा उल्लेखनीय रूपमा बढी छ।
निष्कर्ष:हामीले १५५० nm मा ०.२८ dB/cm को हानि र १.१ मिलियनको रिंग रेजोनेटर Q कारक भएको LToI वेभगाइड विकास गर्यौं। प्राप्त प्रदर्शन अत्याधुनिक कम-हानि LNoI वेभगाइडहरूसँग तुलना गर्न सकिन्छ। थप रूपमा, हामीले अन-चिप ननलाइनर अनुप्रयोगहरूको लागि निर्मित LToI वेभगाइडको χ(3) ननलाइनरिटीको अनुसन्धान गर्यौं।
पोस्ट समय: नोभेम्बर-२०-२०२४