תַקצִיר:פיתחנו מוליך גל ליתיום טנטלט מבוסס מבודד באורך 1550 ננומטר עם הפסד של 0.28 dB/cm וגורם איכות מהוד טבעתי של 1.1 מיליון. נחקר היישום של אי-לינאריות χ(3) בפוטוניקה לא לינארית. היתרונות של ליתיום ניובט על מבודד (LNoI), המציג תכונות לא לינאריות מצוינות של χ(2) ו-χ(3) יחד עם כליאה אופטית חזקה הודות למבנה ה"מבודד" שלו, הובילו להתקדמות משמעותית בטכנולוגיית מוליכי גל עבור מודולטורים אולטרה-מהירים ופוטוניקה לא לינארית משולבת [1-3]. בנוסף ל-LN, נחקר גם ליתיום טנטלט (LT) כחומר פוטוני לא ליניארי. בהשוואה ל-LN, ל-LT יש סף נזק אופטי גבוה יותר וחלון שקיפות אופטי רחב יותר [4, 5], למרות שהפרמטרים האופטיים שלו, כגון מקדם שבירה ומקדמים לא ליניאריים, דומים לאלה של LN [6, 7]. לפיכך, LToI בולט כחומר מועמד חזק נוסף עבור יישומים פוטוניים לא ליניאריים בעלי הספק אופטי גבוה. יתר על כן, LToI הופך לחומר עיקרי עבור התקני סינון גלים אקוסטיים משטחיים (SAW), הניתנים ליישום בטכנולוגיות ניידות ואלחוטיות במהירות גבוהה. בהקשר זה, פרוסות ופלים של LToI עשויות להפוך לחומרים נפוצים יותר עבור יישומים פוטוניים. עם זאת, עד כה, דווחו רק מספר קטן של התקנים פוטוניים המבוססים על LToI, כגון מהודים של מיקרודיסק [8] ומעבירי פאזה אלקטרו-אופטיים [9]. במאמר זה, אנו מציגים מוליך גל LToI בעל הפסדים נמוכים ויישומו במהוד טבעתי. בנוסף, אנו מספקים את המאפיינים הלא ליניאריים χ(3) של מוליך הגל LToI.
נקודות מפתח:
• מציעה פרוסות LToI בגודל 4 אינץ' עד 6 אינץ', פרוסות ליתיום טנטלט בשכבה דקה, עם עובי שכבה עליונה הנע בין 100 ננומטר ל-1500 ננומטר, תוך שימוש בטכנולוגיה מקומית ותהליכים מתקדמים.
• SINOI: פרוסות סיליקון ניטריד דקות בעלות הפסדים נמוכים במיוחד.
• SICOI: מצעים דקים מסיליקון קרביד חצי-מבודדים בעלי טוהר גבוה עבור מעגלים משולבים פוטוניים מסיליקון קרביד.
• LTOI: מתחרה חזק לליתיום ניובט, פרוסות ליתיום טנטלט בעלות שכבה דקה.
• LNOI: LNOI בגודל 8 אינץ' התומך בייצור המוני של מוצרי ליתיום ניובט בעלי שכבה דקה בקנה מידה גדול.
ייצור על מוליכי גל מבודדים:במחקר זה, השתמשנו בפרוסות LToI בגודל 4 אינץ'. שכבת ה-LT העליונה היא מצע LT מסחרי בחיתוך Y מסובב ב-42 מעלות עבור התקני SAW, המחובר ישירות למצע Si עם שכבת תחמוצת תרמית בעובי 3 מיקרון, תוך שימוש בתהליך חיתוך חכם. איור 1(א) מציג מבט מלמעלה של פרוסת ה-LToI, עם עובי שכבת LT עליונה של 200 ננומטר. הערכנו את חספוס פני השטח של שכבת ה-LT העליונה באמצעות מיקרוסקופיית כוח אטומי (AFM).
איור 1.(א) מבט מלמעלה של פרוסת ה-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 הנחת שכבת ה-SiO2. כפי שמוצג באיור 1 (ב), חספוס פני השטח קטן מ-1 ננומטר, ולא נצפו קווי גירוד. בנוסף, בדקנו את מצב הקיטוב של שכבת ה-LT העליונה באמצעות מיקרוסקופ כוח תגובה פיזואלקטרי (PFM), כפי שמוצג באיור 1 (ג). אישרנו כי הקיטוב האחיד נשמר גם לאחר תהליך ההדבקה.
באמצעות מצע LToI זה, ייצרנו את מוליך הגל באופן הבא. ראשית, הונחה שכבת מסיכת מתכת לצורך איכול יבש לאחר מכן של ה-LT. לאחר מכן, בוצעה ליתוגרפיה של אלומת אלקטרונים (EB) כדי להגדיר את תבנית ליבת מוליך הגל על גבי שכבת מסיכת המתכת. לאחר מכן, העברנו את תבנית ההתנגדות של EB לשכבת מסיכת המתכת באמצעות איכול יבש. לאחר מכן, ליבת מוליך הגל LToI נוצרה באמצעות איכול פלזמה של תהודה ציקלוטרונית אלקטרונית (ECR). לבסוף, שכבת מסיכת המתכת הוסרה בתהליך רטוב, ושכבת כיסוי של SiO2 הונחה באמצעות שקיעת אדים כימית משופרת בפלזמה. איור 1 (ד) מציג את החתך הסכמטי של מוליך הגל LToI. גובה הליבה הכולל, גובה הלוח ורוחב הליבה הם 200 ננומטר, 100 ננומטר ו-1000 ננומטר, בהתאמה. שימו לב שרוחב הליבה מתרחב ל-3 מיקרומטר בקצה מוליך הגל לצורך צימוד סיב אופטי.
איור 1 (ה) מציג את התפלגות העוצמה האופטית המחושבת של מצב החשמל הרוחבי הבסיסי (TE) ב-1550 ננומטר. איור 1 (ו) מציג את תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) של ליבת מוליך הגל LToI לפני שיקוע שכבת ה-SiO2.
מאפייני מוליך גל:תחילה הערכנו את מאפייני ההפסד הליניארי על ידי הזנת אור מקוטב TE ממקור פליטה ספונטני מוגבר באורך גל של 1550 ננומטר לתוך מוליכי גל LToI באורכים שונים. אובדן ההתפשטות התקבל משיפוע הקשר בין אורך מוליך הגל להעברה 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). מוליכי הגל LToI שיוצרו הציגו ביצועים דומים של הפסד נמוך למוליכי גל LNoI חדישים [10].
לאחר מכן, הערכנו את אי-הלינאריות של χ(3) באמצעות המרת אורך גל שנוצרה על ידי תהליך ערבוב ארבעה גלים. הזנו אור משאבה של גל רציף באורך 1550.0 ננומטר ואור אות באורך 1550.6 ננומטר לתוך מוליך גל באורך 12 מ"מ. כפי שמוצג באיור 2 (ב), עוצמת אות גל האור המצומד-פאזה (בטל) גדלה עם עליית הספק הקלט. התמונה המוקטנת באיור 2 (ב) מציגה את ספקטרום הפלט הטיפוסי של ערבוב ארבעה גלים. מהקשר בין הספק הקלט ליעילות ההמרה, הערכנו את הפרמטר הלא ליניארי (γ) בכ-11 W^-1m.
איור 3.(א) תמונת מיקרוסקופ של מהוד הטבעת המיוצר. (ב) ספקטרום העברה של מהוד הטבעת עם פרמטרי פער שונים. (ג) ספקטרום העברה נמדד ומותאם לורנציאני של מהוד הטבעת עם פער של 1000 ננומטר.
לאחר מכן, ייצרנו מהוד טבעתי LToI והערכנו את מאפייניו. איור 3 (א) מציג את תמונת המיקרוסקופ האופטי של מהוד הטבעת המיוצר. מהוד הטבעת כולל תצורת "מסלול מרוצים", המורכבת מאזור מעוקל ברדיוס של 100 מיקרומטר ואזור ישר באורך 100 מיקרומטר. רוחב הפער בין הטבעת לליבת מוליך הגל של האפיק משתנה במרווחים של 200 ננומטר, ספציפית ב-800, 1000 ו-1200 ננומטר. איור 3 (ב) מציג את ספקטרום ההעברה עבור כל פער, דבר המצביע על כך שיחס ההכחדה משתנה עם גודל הפער. מספקטרומים אלה, קבענו שהפער של 1000 ננומטר מספק תנאי צימוד כמעט קריטיים, מכיוון שהוא מציג את יחס ההכחדה הגבוה ביותר של -26 dB.
באמצעות המהוד המצומד באופן קריטי, הערכנו את גורם האיכות (גורם Q) על ידי התאמת ספקטרום ההעברה הליניארי לעקומת לורנציאנית, וקיבלנו גורם Q פנימי של 1.1 מיליון, כפי שמוצג באיור 3 (c). למיטב ידיעתנו, זוהי ההדגמה הראשונה של מהוד טבעתי LToI מצומד למוליך גל. ראוי לציין כי ערך גורם ה-Q שהשגנו גבוה משמעותית מזה של מהודים מסוג LToI מצומדים לסיבים [9].
מַסְקָנָה:פיתחנו מוליך גל LToI עם הפסד של 0.28 dB/cm ב-1550 ננומטר וגורם Q של מהוד טבעתי של 1.1 מיליון. הביצועים שהתקבלו דומים לאלו של מוליכי גל LNoI בעלי הפסדים נמוכים מהדורה עולמית. בנוסף, חקרנו את אי-הליניאריות χ(3) של מוליך הגל LToI המיוצר עבור יישומים לא ליניאריים על שבב.
זמן פרסום: 20 בנובמבר 2024