సారాంశం:మేము 0.28 dB/cm నష్టంతో 1550 nm ఇన్సులేటర్-ఆధారిత లిథియం టాంటాలేట్ వేవ్‌గైడ్‌ను అభివృద్ధి చేసాము మరియు రింగ్ రెసొనేటర్ నాణ్యత కారకం 1.1 మిలియన్. నాన్ లీనియర్ ఫోటోనిక్స్‌లో χ(3) నాన్‌లీనియారిటీ యొక్క అప్లికేషన్ అధ్యయనం చేయబడింది. లిథియం నియోబేట్ ఆన్ ఇన్సులేటర్ (LNoI) యొక్క ప్రయోజనాలు అద్భుతమైన χ(2) మరియు χ(3) నాన్ లీనియర్ లక్షణాలను దాని "ఇన్సులేటర్-ఆన్" స్ట్రక్చర్ కారణంగా బలమైన ఆప్టికల్ నిర్బంధంతో ప్రదర్శిస్తాయి, ఇది అల్ట్రాఫాస్ట్ కోసం వేవ్‌గైడ్ టెక్నాలజీలో గణనీయమైన పురోగతికి దారితీసింది. మాడ్యులేటర్లు మరియు ఇంటిగ్రేటెడ్ నాన్ లీనియర్ ఫోటోనిక్స్ [1-3]. ఎల్‌ఎన్‌తో పాటు, లిథియం టాంటాలేట్ (ఎల్‌టి) కూడా నాన్ లీనియర్ ఫోటోనిక్ మెటీరియల్‌గా పరిశోధించబడింది. LNతో పోలిస్తే, LT అధిక ఆప్టికల్ డ్యామేజ్ థ్రెషోల్డ్ మరియు విస్తృత ఆప్టికల్ ట్రాన్స్‌పరెన్సీ విండో [4, 5]ని కలిగి ఉంది, అయినప్పటికీ దాని ఆప్టికల్ పారామితులు, వక్రీభవన సూచిక మరియు నాన్‌లీనియర్ కోఎఫీషియంట్స్ వంటివి LN [6, 7] మాదిరిగానే ఉంటాయి. అందువల్ల, అధిక ఆప్టికల్ పవర్ నాన్‌లీనియర్ ఫోటోనిక్ అప్లికేషన్‌ల కోసం LToI మరొక బలమైన అభ్యర్థి పదార్థంగా నిలుస్తుంది. అంతేకాకుండా, హై-స్పీడ్ మొబైల్ మరియు వైర్‌లెస్ టెక్నాలజీలలో వర్తించే ఉపరితల శబ్ద తరంగం (SAW) ఫిల్టర్ పరికరాల కోసం LToI ఒక ప్రాథమిక పదార్థంగా మారుతోంది. ఈ సందర్భంలో, ఫోటోనిక్ అప్లికేషన్‌ల కోసం LToI పొరలు మరింత సాధారణ పదార్థాలుగా మారవచ్చు. అయినప్పటికీ, ఈ రోజు వరకు, మైక్రోడిస్క్ రెసొనేటర్లు [8] మరియు ఎలక్ట్రో-ఆప్టిక్ ఫేజ్ షిఫ్టర్స్ [9] వంటి LToI ఆధారంగా కొన్ని ఫోటోనిక్ పరికరాలు మాత్రమే నివేదించబడ్డాయి. ఈ పేపర్‌లో, మేము తక్కువ-నష్టం కలిగిన LToI వేవ్‌గైడ్ మరియు దాని అప్లికేషన్‌ను రింగ్ రెసొనేటర్‌లో ప్రదర్శిస్తాము. అదనంగా, మేము LToI వేవ్‌గైడ్ యొక్క χ(3) నాన్ లీనియర్ లక్షణాలను అందిస్తాము.
కీ పాయింట్లు:
• దేశీయ సాంకేతికత మరియు పరిపక్వ ప్రక్రియలను ఉపయోగించి 4-అంగుళాల నుండి 6-అంగుళాల LToI పొరలు, సన్నని-ఫిల్మ్ లిథియం టాంటాలేట్ వేఫర్‌లు, 100 nm నుండి 1500 nm వరకు పై పొర మందం కలిగి ఉంటాయి.
• SINOI: అల్ట్రా-తక్కువ నష్టం సిలికాన్ నైట్రైడ్ థిన్-ఫిల్మ్ పొరలు.
• SICOI: సిలికాన్ కార్బైడ్ ఫోటోనిక్ ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్‌ల కోసం హై-ప్యూరిటీ సెమీ-ఇన్సులేటింగ్ సిలికాన్ కార్బైడ్ థిన్-ఫిల్మ్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లు.
• LTOI: లిథియం నియోబేట్, సన్నని-పొర లిథియం టాంటాలేట్ పొరలకు బలమైన పోటీదారు.
• LNOI: 8-అంగుళాల LNOI పెద్ద-స్థాయి థిన్-ఫిల్మ్ లిథియం నియోబేట్ ఉత్పత్తుల భారీ ఉత్పత్తికి మద్దతు ఇస్తుంది.
ఇన్సులేటర్ వేవ్‌గైడ్స్‌పై తయారీ:ఈ అధ్యయనంలో, మేము 4-అంగుళాల LToI పొరలను ఉపయోగించాము. ఎగువ LT లేయర్ అనేది SAW పరికరాల కోసం వాణిజ్యపరమైన 42° తిప్పబడిన Y-కట్ LT సబ్‌స్ట్రేట్, ఇది 3 µm మందపాటి థర్మల్ ఆక్సైడ్ లేయర్‌తో నేరుగా Si సబ్‌స్ట్రేట్‌తో బంధించబడి, స్మార్ట్ కట్టింగ్ ప్రక్రియను ఉపయోగిస్తుంది. మూర్తి 1(a) LToI పొర యొక్క టాప్ వీక్షణను చూపుతుంది, ఎగువ LT పొర మందం 200 nm ఉంటుంది. మేము అటామిక్ ఫోర్స్ మైక్రోస్కోపీ (AFM) ఉపయోగించి ఎగువ LT పొర యొక్క ఉపరితల కరుకుదనాన్ని అంచనా వేసాము.
మూర్తి 1.(a) LToI పొర యొక్క అగ్ర వీక్షణ, (b) ఎగువ LT పొర యొక్క ఉపరితలం యొక్క AFM చిత్రం, (c) ఎగువ LT పొర యొక్క ఉపరితలం యొక్క PFM చిత్రం, (d) LToI వేవ్‌గైడ్ యొక్క స్కీమాటిక్ క్రాస్-సెక్షన్, (ఇ) గణించబడిన ప్రాథమిక TE మోడ్ ప్రొఫైల్, మరియు (f) SiO2 ఓవర్‌లేయర్ నిక్షేపణకు ముందు LToI వేవ్‌గైడ్ కోర్ యొక్క SEM చిత్రం. మూర్తి 1 (బి)లో చూపినట్లుగా, ఉపరితల కరుకుదనం 1 nm కంటే తక్కువగా ఉంటుంది మరియు స్క్రాచ్ లైన్‌లు గమనించబడలేదు. అదనంగా, మేము మూర్తి 1 (సి)లో చిత్రీకరించినట్లుగా, పైజోఎలెక్ట్రిక్ రెస్పాన్స్ ఫోర్స్ మైక్రోస్కోపీ (PFM)ని ఉపయోగించి ఎగువ LT పొర యొక్క ధ్రువణ స్థితిని పరిశీలించాము. బంధ ప్రక్రియ తర్వాత కూడా ఏకరీతి ధ్రువణత నిర్వహించబడిందని మేము ధృవీకరించాము.
ఈ LToI సబ్‌స్ట్రేట్‌ని ఉపయోగించి, మేము వేవ్‌గైడ్‌ను ఈ క్రింది విధంగా రూపొందించాము. మొదట, LT యొక్క తదుపరి పొడి చెక్కడం కోసం మెటల్ మాస్క్ లేయర్ జమ చేయబడింది. అప్పుడు, మెటల్ మాస్క్ లేయర్ పైన వేవ్‌గైడ్ కోర్ నమూనాను నిర్వచించడానికి ఎలక్ట్రాన్ బీమ్ (EB) లితోగ్రఫీని ప్రదర్శించారు. తర్వాత, మేము డ్రై ఎచింగ్ ద్వారా EB నిరోధక నమూనాను మెటల్ మాస్క్ లేయర్‌కి బదిలీ చేసాము. తరువాత, ఎలక్ట్రాన్ సైక్లోట్రాన్ రెసొనెన్స్ (ECR) ప్లాస్మా ఎచింగ్ ఉపయోగించి LToI వేవ్‌గైడ్ కోర్ ఏర్పడింది. చివరగా, తడి ప్రక్రియ ద్వారా మెటల్ మాస్క్ పొర తొలగించబడింది మరియు ప్లాస్మా-మెరుగైన రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణను ఉపయోగించి SiO2 ఓవర్‌లేయర్ జమ చేయబడింది. మూర్తి 1 (d) LToI వేవ్‌గైడ్ యొక్క స్కీమాటిక్ క్రాస్-సెక్షన్‌ను చూపుతుంది. మొత్తం కోర్ ఎత్తు, ప్లేట్ ఎత్తు మరియు కోర్ వెడల్పు వరుసగా 200 nm, 100 nm మరియు 1000 nm. ఆప్టికల్ ఫైబర్ కలపడం కోసం వేవ్‌గైడ్ అంచు వద్ద కోర్ వెడల్పు 3 µm వరకు విస్తరించిందని గమనించండి.
మూర్తి 1 (ఇ) 1550 nm వద్ద ఫండమెంటల్ ట్రాన్స్‌వర్స్ ఎలక్ట్రిక్ (TE) మోడ్ యొక్క లెక్కించబడిన ఆప్టికల్ తీవ్రత పంపిణీని ప్రదర్శిస్తుంది. మూర్తి 1 (ఎఫ్) SiO2 ఓవర్‌లేయర్ నిక్షేపణకు ముందు LToI వేవ్‌గైడ్ కోర్ యొక్క స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్ (SEM) చిత్రాన్ని చూపుతుంది.
వేవ్‌గైడ్ లక్షణాలు:మేము మొదట TE-పోలరైజ్డ్ లైట్‌ని 1550 nm వేవ్ లెంగ్త్ యాంప్లిఫైడ్ స్పాంటేనియస్ ఎమిషన్ సోర్స్ నుండి వివిధ పొడవుల LToI వేవ్‌గైడ్‌లలోకి ఇన్‌పుట్ చేయడం ద్వారా లీనియర్ లాస్ లక్షణాలను విశ్లేషించాము. ప్రతి తరంగదైర్ఘ్యం వద్ద వేవ్‌గైడ్ పొడవు మరియు ప్రసారం మధ్య సంబంధం యొక్క వాలు నుండి ప్రచారం నష్టం పొందబడింది. కొలిచిన ప్రచార నష్టాలు మూర్తి 2 (ఎ)లో చూపిన విధంగా వరుసగా 1530, 1550 మరియు 1570 nm వద్ద 0.32, 0.28, మరియు 0.26 dB/cm. కల్పిత LToI వేవ్‌గైడ్‌లు అత్యాధునిక LNoI వేవ్‌గైడ్‌లతో పోల్చదగిన తక్కువ-నష్టం పనితీరును ప్రదర్శించాయి [10].
తరువాత, మేము నాలుగు-వేవ్ మిక్సింగ్ ప్రక్రియ ద్వారా ఉత్పన్నమయ్యే తరంగదైర్ఘ్యం మార్పిడి ద్వారా χ(3) నాన్‌లీనియారిటీని అంచనా వేసాము. మేము 1550.0 nm వద్ద నిరంతర వేవ్ పంప్ లైట్‌ను మరియు 1550.6 nm వద్ద సిగ్నల్ లైట్‌ను 12 mm పొడవైన వేవ్‌గైడ్‌లోకి ఇన్‌పుట్ చేస్తాము. మూర్తి 2 (బి)లో చూపినట్లుగా, ఇన్‌పుట్ పవర్‌ను పెంచడంతో ఫేజ్-కంజుగేట్ (ఇడ్లర్) లైట్ వేవ్ సిగ్నల్ ఇంటెన్సిటీ పెరిగింది. మూర్తి 2 (బి)లోని ఇన్సెట్ నాలుగు-వేవ్ మిక్సింగ్ యొక్క సాధారణ అవుట్‌పుట్ స్పెక్ట్రమ్‌ను చూపుతుంది. ఇన్‌పుట్ శక్తి మరియు మార్పిడి సామర్థ్యం మధ్య సంబంధం నుండి, మేము నాన్‌లీనియర్ పరామితిని (γ) సుమారు 11 W^-1mగా అంచనా వేసాము.
మూర్తి 3.(ఎ) కల్పిత రింగ్ రెసొనేటర్ యొక్క మైక్రోస్కోప్ చిత్రం. (బి) వివిధ గ్యాప్ పారామితులతో రింగ్ రెసొనేటర్ యొక్క ట్రాన్స్మిషన్ స్పెక్ట్రా. (సి) 1000 nm గ్యాప్‌తో రింగ్ రెసొనేటర్ యొక్క కొలిచిన మరియు లోరెంజియన్-బిగించిన ట్రాన్స్మిషన్ స్పెక్ట్రం.
తరువాత, మేము LToI రింగ్ రెసొనేటర్‌ను రూపొందించాము మరియు దాని లక్షణాలను మూల్యాంకనం చేసాము. మూర్తి 3 (a) కల్పిత రింగ్ రెసొనేటర్ యొక్క ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోప్ చిత్రాన్ని చూపుతుంది. రింగ్ రెసొనేటర్ 100 µm వ్యాసార్థం మరియు 100 µm పొడవు గల ఒక వక్ర ప్రాంతాన్ని కలిగి ఉన్న "రేస్ట్రాక్" కాన్ఫిగరేషన్‌ను కలిగి ఉంటుంది. రింగ్ మరియు బస్ వేవ్‌గైడ్ కోర్ మధ్య గ్యాప్ వెడల్పు 200 nm ఇంక్రిమెంట్‌లలో మారుతుంది, ప్రత్యేకంగా 800, 1000 మరియు 1200 nm. మూర్తి 3 (బి) ప్రతి గ్యాప్ కోసం ట్రాన్స్మిషన్ స్పెక్ట్రాను ప్రదర్శిస్తుంది, గ్యాప్ పరిమాణంతో విలుప్త నిష్పత్తి మారుతుందని సూచిస్తుంది. ఈ స్పెక్ట్రా నుండి, 1000 nm గ్యాప్ దాదాపు క్లిష్టమైన కలపడం పరిస్థితులను అందిస్తుందని మేము గుర్తించాము, ఎందుకంటే ఇది అత్యధిక విలుప్త నిష్పత్తి -26 dBని ప్రదర్శిస్తుంది.
క్రిటికల్లీ కపుల్డ్ రెసొనేటర్‌ని ఉపయోగించి, మూర్తి 3 (సి)లో చూపిన విధంగా 1.1 మిలియన్ల అంతర్గత Q ఫ్యాక్టర్‌ని పొందడం ద్వారా లీనియర్ ట్రాన్స్మిషన్ స్పెక్ట్రమ్‌ను లోరెంజియన్ కర్వ్‌తో అమర్చడం ద్వారా మేము నాణ్యతా కారకాన్ని (Q కారకం) అంచనా వేసాము. మా జ్ఞానం ప్రకారం, ఇది వేవ్‌గైడ్-కపుల్డ్ LToI రింగ్ రెసొనేటర్ యొక్క మొదటి ప్రదర్శన. ముఖ్యంగా, మేము సాధించిన Q ఫ్యాక్టర్ విలువ ఫైబర్-కపుల్డ్ LToI మైక్రోడిస్క్ రెసొనేటర్ల కంటే చాలా ఎక్కువగా ఉంది [9].
ముగింపు:మేము 1550 nm వద్ద 0.28 dB/cm నష్టంతో LToI వేవ్‌గైడ్‌ను అభివృద్ధి చేసాము మరియు రింగ్ రెసొనేటర్ Q ఫ్యాక్టర్ 1.1 మిలియన్. పొందిన పనితీరు అత్యాధునిక తక్కువ-నష్టం కలిగిన LNoI వేవ్‌గైడ్‌లతో పోల్చవచ్చు. అదనంగా, ఆన్-చిప్ నాన్‌లీనియర్ అప్లికేషన్‌ల కోసం తయారు చేయబడిన LToI వేవ్‌గైడ్ యొక్క χ(3) నాన్‌లీనియారిటీని మేము పరిశోధించాము.
పోస్ట్ సమయం: నవంబర్-20-2024