Xülasə:Biz 0,28 dB/sm itkisi və 1,1 milyon üzük rezonator keyfiyyət əmsalı ilə 1550 nm izolyator əsaslı litium tantalat dalğa bələdçisi hazırlamışıq. χ(3) qeyri-xəttiliyin qeyri-xətti fotonikada tətbiqi tədqiq edilmişdir. Mükəmməl χ(2) və χ(3) qeyri-xətti xassələri və "izolyator-on" strukturuna görə güclü optik qapalılıq nümayiş etdirən izolyatorda (LNoI) litium niobatın üstünlükləri ultrasürətli dalğa ötürücü texnologiyasında əhəmiyyətli irəliləyişlərə səbəb olmuşdur. modulatorlar və inteqrasiya olunmuş qeyri-xətti fotoniklər [1-3]. LN ilə yanaşı, litium tantalat (LT) də qeyri-xətti fotonik material kimi tədqiq edilmişdir. LN ilə müqayisədə LT daha yüksək optik zədələnmə həddi və daha geniş optik şəffaflıq pəncərəsinə malikdir [4, 5], baxmayaraq ki, onun optik parametrləri, məsələn, sındırma indeksi və qeyri-xətti əmsalları LN ilə oxşardır [6, 7]. Beləliklə, LToI yüksək optik gücə malik qeyri-xətti fotonik tətbiqlər üçün başqa bir güclü namizəd material kimi seçilir. Bundan əlavə, LToI yüksək sürətli mobil və simsiz texnologiyalarda tətbiq olunan səth akustik dalğası (SAW) filtr cihazları üçün əsas materiala çevrilir. Bu kontekstdə LToI vafliləri fotonik tətbiqlər üçün daha çox yayılmış materiallar ola bilər. Bununla belə, bu günə qədər mikrodisk rezonatorları [8] və elektro-optik faza dəyişdiriciləri [9] kimi LToI-yə əsaslanan yalnız bir neçə fotonik cihaz haqqında məlumat verilmişdir. Bu yazıda biz aşağı itkili LToI dalğa qurğusunu və onun halqa rezonatorunda tətbiqini təqdim edirik. Əlavə olaraq, biz LToI dalğa ötürücüsünün χ(3) qeyri-xətti xüsusiyyətlərini təqdim edirik.
Əsas nöqtələr:
• Yerli texnologiyadan və yetkin proseslərdən istifadə etməklə 4-6-düymlük LToI vafliləri, 100 nm-dən 1500 nm-ə qədər üst qat qalınlığı olan nazik təbəqəli litium tantalat vafliləri təklif edir.
• SINOI: Ultra aşağı itkili silikon nitrid nazik təbəqəli vaflilər.
• SICOI: Silisium karbidli fotonik inteqral sxemlər üçün yüksək təmizlikdə yarı izolyasiya edən silisium karbid nazik təbəqəli substratlar.
• LTOI: Litium niobat, nazik təbəqəli litium tantalat vaflilərə güclü rəqibdir.
• LNOI: daha iri miqyaslı nazik təbəqəli litium niobat məhsullarının kütləvi istehsalını dəstəkləyən 8 düymlük LNOI.
İzolyator dalğa bələdçilərində istehsal:Bu işdə biz 4 düymlük LToI vaflilərdən istifadə etdik. Üst LT təbəqəsi SAW cihazları üçün kommersiya 42° döndərilmiş Y-kəsilmiş LT substratıdır, o, ağıllı kəsmə prosesindən istifadə edərək 3 µm qalınlığında termal oksid təbəqəsi ilə birbaşa Si substratına bağlanır. Şəkil 1(a) yuxarı LT təbəqəsinin qalınlığı 200 nm olan LToI vaflisinin yuxarı görünüşünü göstərir. Atom güc mikroskopundan (AFM) istifadə edərək üst LT təbəqəsinin səthi pürüzlülüyünü qiymətləndirdik.
Şəkil 1.(a) LToI vaflisinin yuxarı görünüşü, (b) üst LT təbəqəsinin səthinin AFM təsviri, (c) üst LT təbəqəsinin səthinin PFM şəkli, (d) LToI dalğa ötürücüsünün sxematik en kəsiyi, (e) hesablanmış əsas TE rejimi profili və (f) SiO2 üst qatının çökməsindən əvvəl LToI dalğa ötürücü nüvəsinin SEM təsviri. Şəkil 1 (b)-də göstərildiyi kimi, səthin pürüzlülüyü 1 nm-dən azdır və heç bir cızıq xətləri müşahidə edilməmişdir. Əlavə olaraq, Şəkil 1 (c)-də göstərildiyi kimi, piezoelektrik cavab qüvvəsi mikroskopiyasından (PFM) istifadə edərək üst LT təbəqəsinin polarizasiya vəziyyətini araşdırdıq. Hətta birləşmə prosesindən sonra da vahid qütbləşmənin saxlanıldığını təsdiq etdik.
Bu LToI substratından istifadə edərək, dalğa bələdçisini aşağıdakı kimi hazırladıq. Əvvəlcə LT-nin sonrakı quru aşındırılması üçün metal maska qatı qoyuldu. Daha sonra, metal maska təbəqəsinin üstündə dalğa ötürücü nüvə modelini müəyyən etmək üçün elektron şüa (EB) litoqrafiyası aparıldı. Sonra, EB müqavimət nümunəsini quru aşındırma yolu ilə metal maska təbəqəsinə köçürdük. Daha sonra elektron siklotron rezonansı (ECR) plazma aşındırma üsulu ilə LToI dalğa ötürücü nüvəsi formalaşdırıldı. Nəhayət, metal maska təbəqəsi nəm proses vasitəsilə çıxarıldı və plazma ilə gücləndirilmiş kimyəvi buxar çökdürülməsi ilə SiO2 örtüyü qoyuldu. Şəkil 1 (d) LToI dalğa ötürücüsünün sxematik en kəsiyini göstərir. Ümumi nüvə hündürlüyü, boşqab hündürlüyü və nüvə eni müvafiq olaraq 200 nm, 100 nm və 1000 nm-dir. Nəzərə alın ki, nüvənin eni optik lif birləşməsi üçün dalğa ötürücüsünün kənarında 3 µm-ə qədər genişlənir.
Şəkil 1 (e) 1550 nm-də əsas eninə elektrik (TE) rejiminin hesablanmış optik intensivliyinin paylanmasını göstərir. Şəkil 1 (f) SiO2 üst qatının çökməsindən əvvəl LToI dalğa ötürücü nüvəsinin skan edən elektron mikroskop (SEM) şəklini göstərir.
Dalğa bələdçisinin xüsusiyyətləri:Biz əvvəlcə 1550 nm dalğa uzunluğundakı gücləndirilmiş spontan emissiya mənbəyindən TE-qütbləşmiş işığı müxtəlif uzunluqlu LToI dalğa bələdçilərinə daxil etməklə xətti itki xüsusiyyətlərini qiymətləndirdik. Yayılma itkisi hər dalğa uzunluğunda dalğa ötürücü uzunluğu ilə ötürülmə arasındakı əlaqənin yamacından əldə edilmişdir. Ölçülmüş yayılma itkiləri Şəkil 2 (a)-da göstərildiyi kimi 1530, 1550 və 1570 nm-də müvafiq olaraq 0,32, 0,28 və 0,26 dB/sm olmuşdur. Hazırlanmış LToI dalğa qurğuları ən müasir LNoI dalğa qurğuları ilə müqayisə edilə bilən aşağı itkili performans nümayiş etdirdi [10].
Sonra, dörd dalğalı qarışdırma prosesi ilə yaranan dalğa uzunluğunun çevrilməsi vasitəsilə χ(3) qeyri-xəttiliyini qiymətləndirdik. 1550.0 nm-də davamlı dalğa pompası işığını və 1550.6 nm-də siqnal işığını 12 mm uzunluğunda dalğa qurğusuna daxil edirik. Şəkil 2 (b)-də göstərildiyi kimi, faza-konjugat (boş) işıq dalğası siqnal intensivliyi artan giriş gücü ilə artdı. Şəkil 2 (b)-dəki əlavə dörd dalğalı qarışdırmanın tipik çıxış spektrini göstərir. Giriş gücü ilə çevrilmə səmərəliliyi arasındakı əlaqədən biz qeyri-xətti parametri (γ) təxminən 11 W^-1m olaraq qiymətləndirdik.
Şəkil 3.(a) Hazırlanmış üzük rezonatorunun mikroskop şəkli. (b) Müxtəlif boşluq parametrləri ilə halqa rezonatorunun ötürülmə spektrləri. (c) 1000 nm boşluqlu halqa rezonatorunun ölçülmüş və Lorentsian ilə təchiz edilmiş ötürmə spektri.
Sonra LToI üzük rezonatoru hazırladıq və onun xüsusiyyətlərini qiymətləndirdik. Şəkil 3 (a) hazırlanmış halqa rezonatorunun optik mikroskop şəklini göstərir. Halqa rezonatoru radiusu 100 µm olan əyri bölgədən və uzunluğu 100 µm olan düz bölgədən ibarət olan "podrom" konfiqurasiyasına malikdir. Halqa ilə dalğa ötürücü nüvəsi arasındakı boşluq eni 200 nm artımlarla, xüsusilə 800, 1000 və 1200 nm-də dəyişir. Şəkil 3 (b) hər bir boşluq üçün ötürmə spektrlərini göstərir, bu, boşluq ölçüsü ilə sönmə nisbətinin dəyişdiyini göstərir. Bu spektrlərdən biz müəyyən etdik ki, 1000 nm boşluq -26 dB-lik ən yüksək sönmə nisbətini nümayiş etdirdiyi üçün kritik birləşmə şərtlərini təmin edir.
Kritik birləşdirilmiş rezonatordan istifadə edərək, Şəkil 3 (c)-də göstərildiyi kimi, 1,1 milyon daxili Q əmsalı əldə edərək xətti ötürmə spektrini Lorentsian əyrisi ilə uyğunlaşdırmaqla keyfiyyət amilini (Q faktoru) qiymətləndirdik. Bildiyimizə görə, bu, dalğa ötürücü ilə birləşdirilmiş LToI üzük rezonatorunun ilk nümayişidir. Qeyd edək ki, əldə etdiyimiz Q faktoru liflə birləşdirilmiş LToI mikrodisk rezonatorlarından əhəmiyyətli dərəcədə yüksəkdir [9].
Nəticə:Biz 1550 nm-də 0,28 dB/sm itkisi və 1,1 milyon halqa rezonator Q faktoru ilə LToI dalğa bələdçisi hazırladıq. Əldə edilən performans ən müasir aşağı itkili LNoI dalğa ötürücüləri ilə müqayisə edilə bilər. Əlavə olaraq, çipdə qeyri-xətti tətbiqlər üçün istehsal edilmiş LToI dalğa bələdçisinin χ(3) qeyri-xəttiliyini araşdırdıq.
Göndərmə vaxtı: 20 noyabr 2024-cü il