რეზიუმე:ჩვენ შევიმუშავეთ 1550 ნმ იზოლატორზე დაფუძნებული ლითიუმის ტანტალატის ტალღგამტარი, რომლის დანაკარგი 0.28 დბ/სმ-ია და რგოლის რეზონატორის ხარისხის კოეფიციენტი 1.1 მილიონია. შესწავლილია χ(3) არაწრფივობის გამოყენება არაწრფივ ფოტონიკაში. ლითიუმის ნიობატის იზოლატორზე (LNoI) გამოყენების უპირატესობებმა, რომელიც ავლენს შესანიშნავ χ(2) და χ(3) არაწრფივ თვისებებს, მისი „იზოლატორზე“ სტრუქტურის გამო ძლიერ ოპტიკურ შეზღუდვასთან ერთად, გამოიწვია ტალღგამტარის ტექნოლოგიის მნიშვნელოვანი წინსვლა ულტრასწრაფი მოდულატორებისა და ინტეგრირებული არაწრფივი ფოტონიკისთვის [1-3]. LN-ის გარდა, ლითიუმის ტანტალატი (LT) ასევე შესწავლილია, როგორც არაწრფივი ფოტონური მასალა. LN-თან შედარებით, LT-ს აქვს უფრო მაღალი ოპტიკური დაზიანების ზღვარი და უფრო ფართო ოპტიკური გამჭვირვალობის ფანჯარა [4, 5], თუმცა მისი ოპტიკური პარამეტრები, როგორიცაა გარდატეხის ინდექსი და არაწრფივი კოეფიციენტები, მსგავსია LN-ის პარამეტრებისა [6, 7]. ამრიგად, LToI გამოირჩევა, როგორც კიდევ ერთი ძლიერი კანდიდატი მასალა მაღალი ოპტიკური სიმძლავრის არაწრფივი ფოტონური აპლიკაციებისთვის. გარდა ამისა, LToI ხდება ზედაპირული აკუსტიკური ტალღის (SAW) ფილტრის მოწყობილობების ძირითადი მასალა, რომელიც გამოიყენება მაღალსიჩქარიან მობილურ და უკაბელო ტექნოლოგიებში. ამ კონტექსტში, LToI ვაფლები შეიძლება გახდეს უფრო გავრცელებული მასალები ფოტონური აპლიკაციებისთვის. თუმცა, დღემდე, LToI-ზე დაფუძნებული მხოლოდ რამდენიმე ფოტონური მოწყობილობაა აღწერილი, როგორიცაა მიკროდისკის რეზონატორები [8] და ელექტროოპტიკური ფაზის გადამრთველები [9]. ამ ნაშრომში ჩვენ წარმოგიდგენთ დაბალი დანაკარგის მქონე LToI ტალღგამტარს და მის გამოყენებას რგოლისებრ რეზონატორში. გარდა ამისა, ჩვენ გთავაზობთ LToI ტალღგამტარის χ(3) არაწრფივ მახასიათებლებს.
ძირითადი პუნქტები:
• 4-დან 6 დიუმამდე LToI ვაფლების, თხელფენოვანი ლითიუმის ტანტალატის ვაფლების შეთავაზება, ზედა ფენის სისქით 100 ნმ-დან 1500 ნმ-მდე, ადგილობრივი ტექნოლოგიებისა და განვითარებული პროცესების გამოყენებით.
• SINOI: ულტრადაბალი დანაკარგების მქონე სილიციუმის ნიტრიდის თხელი ფირის ვაფლები.
• SICOI: მაღალი სისუფთავის ნახევრად იზოლაციური სილიციუმის კარბიდის თხელფენოვანი სუბსტრატები სილიციუმის კარბიდის ფოტონური ინტეგრირებული სქემებისთვის.
• LTOI: ლითიუმის ნიობატის, თხელფენოვანი ლითიუმის ტანტალატის ვაფლების ძლიერი კონკურენტი.
• LNOI: 8 დიუმიანი LNOI, რომელიც მხარს უჭერს უფრო მასშტაბური თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის პროდუქტების მასობრივ წარმოებას.
იზოლატორის ტალღგამტარების წარმოება:ამ კვლევაში ჩვენ გამოვიყენეთ 4 დიუმიანი LToI ვაფლები. ზედა LT ფენა წარმოადგენს SAW მოწყობილობებისთვის განკუთვნილ კომერციულ, 42°-ით ბრუნვად Y-ჭრილ LT სუბსტრატს, რომელიც პირდაპირ მიმაგრებულია Si სუბსტრატზე 3 µm სისქის თერმული ოქსიდის ფენით, ჭკვიანი ჭრის პროცესის გამოყენებით. სურათი 1(a) გვიჩვენებს LToI ვაფლის ზემოდან ხედს, ზედა LT ფენის სისქით 200 ნმ. ზედა LT ფენის ზედაპირის უხეშობა შევაფასეთ ატომური ძალის მიკროსკოპიის (AFM) გამოყენებით.
სურათი 1.(ა) LToI ვაფლის ხედი ზემოდან, (ბ) ზედა LT ფენის ზედაპირის AFM გამოსახულება, (გ) ზედა LT ფენის ზედაპირის PFM გამოსახულება, (დ) LToI ტალღგამტარის სქემატური განივკვეთი, (ე) გამოთვლილი ფუნდამენტური TE რეჟიმის პროფილი და (ვ) LToI ტალღგამტარის ბირთვის SEM გამოსახულება SiO2-ის ზედა ფენის დალექვამდე. როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 1 (ბ)-ზე, ზედაპირის უხეშობა 1 ნმ-ზე ნაკლებია და ნაკაწრების ხაზები არ დაფიქსირებულა. გარდა ამისა, ჩვენ შევისწავლეთ ზედა LT ფენის პოლარიზაციის მდგომარეობა პიეზოელექტრული რეაგირების ძალის მიკროსკოპიის (PFM) გამოყენებით, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 1 (გ)-ზე. ჩვენ დავადასტურეთ, რომ ერთგვაროვანი პოლარიზაცია შენარჩუნებული იყო შეკავშირების პროცესის შემდეგაც კი.
ამ LToI სუბსტრატის გამოყენებით, ჩვენ შევქმენით ტალღგამტარი შემდეგნაირად. პირველ რიგში, LT-ის შემდგომი მშრალი გრავირებისთვის დატანილი იქნა ლითონის ნიღბის ფენა. შემდეგ, ჩატარდა ელექტრონული სხივის (EB) ლითოგრაფია, რათა განესაზღვრათ ტალღგამტარის ბირთვის ნიმუში ლითონის ნიღბის ფენის თავზე. შემდეგ, EB რეზისტის ნიმუში გადავიტანეთ ლითონის ნიღბის ფენაზე მშრალი გრავირების გზით. შემდეგ, LToI ტალღგამტარის ბირთვი ჩამოყალიბდა ელექტრონული ციკლოტრონული რეზონანსის (ECR) პლაზმური გრავირების გამოყენებით. და ბოლოს, ლითონის ნიღბის ფენა მოიხსნა სველი პროცესით და SiO2-ის გადაფარვა დაიტანეს პლაზმურად გაძლიერებული ქიმიური ორთქლის დეპონირების გამოყენებით. სურათი 1 (დ) გვიჩვენებს LToI ტალღგამტარის სქემატურ განივკვეთს. ბირთვის მთლიანი სიმაღლე, ფირფიტის სიმაღლე და ბირთვის სიგანე შესაბამისად 200 ნმ, 100 ნმ და 1000 ნმ-ია. გაითვალისწინეთ, რომ ბირთვის სიგანე ტალღგამტარის კიდეზე 3 µმ-მდე იზრდება ოპტიკური ბოჭკოვანი შეერთებისთვის.
სურათი 1 (ე) ასახავს ფუნდამენტური განივი ელექტრული (TE) რეჟიმის გამოთვლილ ოპტიკური ინტენსივობის განაწილებას 1550 ნმ-ზე. სურათი 1 (ვ) გვიჩვენებს LToI ტალღის გამტარის ბირთვის სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპის (SEM) გამოსახულებას SiO2-ის გადაფარვის ფენის დალექვამდე.
ტალღის გამტარი მახასიათებლები:თავდაპირველად, ჩვენ შევაფასეთ წრფივი დანაკარგის მახასიათებლები 1550 ნმ ტალღის სიგრძის გაძლიერებული სპონტანური ემისიის წყაროდან TE-პოლარიზებული სინათლის სხვადასხვა სიგრძის LToI ტალღამტარებში შეყვანით. გავრცელების დანაკარგი მიღებული იქნა ტალღამტარების სიგრძესა და გადაცემას შორის ურთიერთობის დახრილობის მიხედვით თითოეულ ტალღის სიგრძეზე. გაზომილი გავრცელების დანაკარგები იყო 0.32, 0.28 და 0.26 დბ/სმ შესაბამისად 1530, 1550 და 1570 ნმ-ზე, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 2 (ა)-ზე. დამზადებულმა LToI ტალღამტარებმა აჩვენეს შედარებით დაბალი დანაკარგის მაჩვენებლები თანამედროვე LNoI ტალღამტარებთან [10].
შემდეგ, ჩვენ შევაფასეთ χ(3) არაწრფივობა ოთხტალღიანი შერევის პროცესით გენერირებული ტალღის სიგრძის გარდაქმნის გზით. 12 მმ სიგრძის ტალღამძღოლში შევიტანეთ 1550.0 ნმ სიგრძის უწყვეტი ტალღის ტუმბოს ნათურა და 1550.6 ნმ სიგრძის სიგნალის ნათურა. როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 2 (ბ)-ზე, ფაზა-შეუღლებული (მოძრავი) სინათლის ტალღის სიგნალის ინტენსივობა გაიზარდა შემავალი სიმძლავრის ზრდასთან ერთად. ნახაზ 2 (ბ)-ზე ჩანართი აჩვენებს ოთხტალღიანი შერევის ტიპურ გამომავალ სპექტრს. შემავალი სიმძლავრისა და გარდაქმნის ეფექტურობას შორის დამოკიდებულებიდან გამომდინარე, ჩვენ შევაფასეთ არაწრფივი პარამეტრი (γ) დაახლოებით 11 W^-1m-ის ტოლი.
სურათი 3.(ა) დამზადებული რგოლური რეზონატორის მიკროსკოპული გამოსახულება. (ბ) რგოლური რეზონატორის გამტარობის სპექტრები სხვადასხვა ნაპრალის პარამეტრებით. (გ) რგოლური რეზონატორის გაზომილი და ლორენცის მიხედვით მორგებული გამტარობის სპექტრი 1000 ნმ ნაპრალის მქონე.
შემდეგ, ჩვენ შევქმენით LToI რგოლისებრი რეზონატორი და შევაფასეთ მისი მახასიათებლები. სურათი 3 (ა) გვიჩვენებს დამზადებული რგოლისებრი რეზონატორის ოპტიკური მიკროსკოპის გამოსახულებას. რგოლისებრი რეზონატორი გამოირჩევა „რბოლის ტრასის“ კონფიგურაციით, რომელიც შედგება 100 µm რადიუსის მქონე მოხრილი რეგიონისა და 100 µm სიგრძის სწორი რეგიონისგან. რგოლსა და ავტობუსის ტალღის გამტარ ბირთვს შორის არსებული უფსკრულის სიგანე იცვლება 200 ნმ-ის ინკრემენტებით, კერძოდ, 800, 1000 და 1200 ნმ-ზე. სურათი 3 (ბ) აჩვენებს თითოეული უფსკრულის გადაცემის სპექტრებს, რაც მიუთითებს, რომ ჩაქრობის კოეფიციენტი იცვლება უფსკრულის ზომასთან ერთად. ამ სპექტრებიდან ჩვენ დავადგინეთ, რომ 1000 ნმ-იანი უფსკრული უზრუნველყოფს თითქმის კრიტიკულ შეერთების პირობებს, რადგან ის ავლენს ყველაზე მაღალ ჩაქრობის კოეფიციენტს -26 დბ-ს.
კრიტიკულად დაკავშირებული რეზონატორის გამოყენებით, ჩვენ შევაფასეთ ხარისხის ფაქტორი (Q ფაქტორი) წრფივი გადაცემის სპექტრის ლორენცის მრუდთან მორგებით, რის შედეგადაც მივიღეთ 1.1 მილიონი შიდა Q ფაქტორი, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 3 (გ)-ზე. ჩვენი ინფორმაციით, ეს არის ტალღის გამტართან დაკავშირებული LToI რგოლისებრი რეზონატორის პირველი დემონსტრირება. აღსანიშნავია, რომ ჩვენს მიერ მიღებული Q ფაქტორის მნიშვნელობა მნიშვნელოვნად მაღალია, ვიდრე ბოჭკოვანთან დაკავშირებული LToI მიკროდისკის რეზონატორების [9].
დასკვნა:ჩვენ შევიმუშავეთ LToI ტალღგამტარი 0.28 დბ/სმ დანაკარგით 1550 ნმ-ზე და 1.1 მილიონი რგოლისეზონური Q ფაქტორით. მიღებული მაჩვენებლები შედარებადია თანამედროვე დაბალი დანაკარგის მქონე LNoI ტალღგამტარების მაჩვენებლებთან. გარდა ამისა, ჩვენ გამოვიკვლიეთ წარმოებული LToI ტალღგამტარების χ(3) არაწრფივობა ჩიპზე დამონტაჟებული არაწრფივი აპლიკაციებისთვის.
გამოქვეყნების დრო: 2024 წლის 20 ნოემბერი