תַקצִיר:פיתחנו מוליך גל ליתיום טנטלאט המבוסס על 1550 ננומטר עם הפסד של 0.28 dB/cm ומקדם איכות מהוד טבעת של 1.1 מיליון. היישום של אי-לינאריות χ(3) בפוטוניקה לא ליניארית נחקר. היתרונות של ליתיום ניובאט על מבודד (LNoI), המציג תכונות לא-לינאריות מצוינות של χ(2) ו-χ(3) יחד עם כליאה אופטית חזקה בשל מבנה ה"מבודד-על" שלו, הובילו להתקדמות משמעותית בטכנולוגיית מוליכי גלים עבור אולטרה-מהיר. מאפננים ופוטוניקה לא ליניארית משולבת [1-3]. בנוסף ל-LN, ליטיום טנטלאט (LT) נחקר גם כחומר פוטוני לא ליניארי. בהשוואה ל-LN, ל-LT יש סף נזק אופטי גבוה יותר וחלון שקיפות אופטי רחב יותר [4, 5], אם כי הפרמטרים האופטיים שלו, כגון מקדם שבירה ומקדמים לא ליניאריים, דומים לאלו של LN [6, 7]. לפיכך, LToI בולט כחומר מועמד חזק נוסף ליישומים פוטוניים לא ליניאריים בהספק אופטי גבוה. יתרה מכך, LToI הופך לחומר עיקרי עבור התקני סינון גלים אקוסטיים משטחים (SAW), ישימים בטכנולוגיות ניידות ואלחוטיות במהירות גבוהה. בהקשר זה, פרוסות LToI עשויות להפוך לחומרים נפוצים יותר עבור יישומים פוטוניים. עם זאת, עד כה, רק כמה התקנים פוטונים המבוססים על LToI דווחו, כגון מהודים מיקרו-דיסקים [8] ומעבירי פאזה אלקטרו-אופטיים [9]. במאמר זה, אנו מציגים מוליך גל LToI בעל אובדן נמוך ויישומו במהוד טבעת. בנוסף, אנו מספקים את המאפיינים הלא ליניאריים χ(3) של מוליך הגל LToI.
נקודות מפתח:
• מציע פרוסות LToI בגודל 4 אינץ' עד 6 אינץ', פרוסות ליטיום טנטלאט בסרט דק, עם עובי שכבה עליונה הנעים בין 100 ננומטר ל-1500 ננומטר, תוך שימוש בטכנולוגיה מקומית ותהליכים בוגרים.
• SINOI: פרוסות סיליקון ניטריד עם אובדן נמוך במיוחד.
• SICOI: מצעי סרט דק סיליקון קרביד מבודדים למחצה בטוהר גבוה עבור מעגלים משולבים פוטוניים של סיליקון קרביד.
• LTOI: מתחרה חזק לליתיום ניובאט, פרוסות ליתיום טנטלאט עם סרט דק.
• LNOI: LNOI בגודל 8 אינץ' התומך בייצור המוני של מוצרי ליתיום ניובאט בעלי סרט דק בקנה מידה גדול יותר.
ייצור על מובילי גל מבודדים:במחקר זה, השתמשנו בפרוסות LToI בגודל 4 אינץ'. שכבת ה-LT העליונה היא מצע LT מסחרי ב-42° מסובב עבור התקני SAW, המחובר ישירות למצע Si עם שכבת תחמוצת תרמית בעובי של 3 מיקרומטר, תוך שימוש בתהליך חיתוך חכם. איור 1(א) מציג תצוגה עליונה של רקיקת LToI, עם עובי שכבת LT העליונה של 200 ננומטר. הערכנו את חספוס פני השטח של שכבת ה-LT העליונה באמצעות מיקרוסקופיה של כוח אטומי (AFM).
איור 1.(א) מבט מלמעלה של רקיקת LToI, (ב) תמונת AFM של פני השטח של שכבת ה-LT העליונה, (ג) תמונת PFM של פני השטח של שכבת ה-LT העליונה, (ד) חתך סכמטי של מוליך הגל LToI, (ה) פרופיל מצב TE בסיסי מחושב, ו-(ו) תמונת SEM של ליבת מוליך הגל LToI לפני שקיעת שכבת-על SiO2. כפי שמוצג באיור 1 (ב), חספוס פני השטח הוא פחות מ-1 ננומטר, ולא נצפו קווי שריטות. בנוסף, בחנו את מצב הקיטוב של שכבת ה-LT העליונה באמצעות מיקרוסקופיה של כוח תגובה פיזואלקטרי (PFM), כפי שמתואר באיור 1 (ג). אישרנו כי קיטוב אחיד נשמר גם לאחר תהליך ההדבקה.
באמצעות מצע LToI זה, יצרנו את מוליך הגל כדלקמן. ראשית, שכבת מסכת מתכת הופקדה עבור תחריט יבש לאחר מכן של ה-LT. לאחר מכן, בוצעה ליתוגרפיה של קרן אלקטרונים (EB) כדי להגדיר את תבנית ליבת מוליך הגל על גבי שכבת מסכת המתכת. לאחר מכן, העברנו את תבנית ה-EB resist לשכבת מסכת המתכת באמצעות תחריט יבש. לאחר מכן, ליבת מוליך הגל LToI נוצרה באמצעות תחריט פלזמה של תהודה ציקלוטרון אלקטרוני (ECR). לבסוף, שכבת מסכת המתכת הוסרה בתהליך רטוב, ושכבת-על של SiO2 הופקדה באמצעות שקיעת אדים כימית משופרת בפלזמה. איור 1 (ד) מציג את החתך הסכמטי של מוליך הגל LToI. גובה הליבה הכולל, גובה הצלחת ורוחב הליבה הם 200 ננומטר, 100 ננומטר ו-1000 ננומטר, בהתאמה. שימו לב שרוחב הליבה מתרחב ל-3 מיקרומטר בקצה מוליך הגל עבור צימוד סיבים אופטיים.
איור 1 (ה) מציג את התפלגות העוצמה האופטית המחושבת של מצב חשמלי רוחבי בסיסי (TE) ב-1550 ננומטר. איור 1 (ו) מציג את תמונת מיקרוסקופ האלקטרון הסורק (SEM) של ליבת מוליך הגל LToI לפני השקת שכבת העל SiO2.
מאפייני מוליך גל:הערכנו תחילה את מאפייני האובדן הליניארי על ידי הזנת אור מקוטב TE ממקור פליטה ספונטני מוגבר באורך גל של 1550 ננומטר לתוך מובילי גל LToI באורכים שונים. אובדן ההתפשטות התקבל משיפוע הקשר בין אורך מוליך הגל והשידור בכל אורך גל. הפסדי ההתפשטות שנמדדו היו 0.32, 0.28 ו-0.26 dB/cm ב-1530, 1550 ו-1570 ננומטר, בהתאמה, כפי שמוצג באיור 2 (א). מובילי הגל המיוצרים של LToI הציגו ביצועים דומים בהפסד נמוך למובילי גל LNoI המתקדמים [10].
לאחר מכן, הערכנו את אי-ליניאריות χ(3) באמצעות המרת אורך הגל שנוצרת בתהליך ערבוב של ארבעה גלים. אנו מכניסים אור משאבת גל מתמשך ב-1550.0 ננומטר ואור אות ב-1550.6 ננומטר למוביל גל באורך 12 מ"מ. כפי שמוצג באיור 2 (ב), עוצמת אות גלי האור בפאזה מצומדת (בטלה) גדלה עם הגדלת הספק המבוא. ההוספה באיור 2 (ב) מציגה את ספקטרום הפלט האופייני של ערבוב ארבעת הגלים. מהקשר בין הספק קלט ויעילות המרה, הערכנו את הפרמטר הלא ליניארי (γ) כ-11 W^-1m.
איור 3.(א) תמונת מיקרוסקופ של מהוד הטבעת המיוצר. (ב) ספקטרום שידור של מהוד הטבעתי עם פרמטרים שונים של פער. (ג) ספקטרום שידור מדוד ומותאם לורנציאני של מהוד הטבעת עם מרווח של 1000 ננומטר.
לאחר מכן, יצרנו מהוד טבעת LToI והערכנו את המאפיינים שלו. איור 3 (א) מציג את תמונת המיקרוסקופ האופטי של מהוד הטבעת המיוצר. מהוד הטבעת כולל תצורת "מסלול מירוצים", המורכבת מאזור מעוקל ברדיוס של 100 מיקרומטר ואזור ישר של 100 מיקרומטר באורך. רוחב הפער בין הטבעת לליבה של מוליך הגל באפיק משתנה במרווחים של 200 ננומטר, במיוחד ב-800, 1000 ו-1200 ננומטר. איור 3 (ב) מציג את ספקטרום ההולכה עבור כל פער, מה שמצביע על כך שיחס ההכחדה משתנה עם גודל הפער. מהספקטרום הללו, קבענו שהפער של 1000 ננומטר מספק תנאי צימוד כמעט קריטיים, מכיוון שהוא מציג את יחס ההכחדה הגבוה ביותר של -26 dB.
באמצעות המהוד המצורף באופן קריטי, הערכנו את גורם האיכות (גורם Q) על ידי התאמת ספקטרום השידור הליניארי עם עקומה לורנציאנית, קבלת גורם Q פנימי של 1.1 מיליון, כפי שמוצג באיור 3 (ג). למיטב ידיעתנו, זוהי ההדגמה הראשונה של מהוד טבעתי LToI המצמד מוליך גל. יש לציין, ערך גורם ה-Q שהשגנו גבוה משמעותית מזה של מהודים LToI מיקרו-דיסקים עם סיבים [9].
מַסְקָנָה:פיתחנו מוליך גל LToI עם אובדן של 0.28 dB/cm ב-1550 ננומטר ומקדם Q של מהוד טבעת של 1.1 מיליון. הביצועים המתקבלים דומים לאלו של מובילי גל LNoI המתקדמים ביותר עם אובדן נמוך. בנוסף, חקרנו את אי-הליניאריות χ(3) של מוליך הגל LToI המיוצר עבור יישומים לא ליניאריים על-שבב.
זמן פרסום: 20 בנובמבר 2024