సారాంశం:మేము 0.28 dB/cm నష్టం మరియు 1.1 మిలియన్ల రింగ్ రెసొనేటర్ నాణ్యత కారకంతో 1550 nm ఇన్సులేటర్-ఆధారిత లిథియం టాంటలేట్ వేవ్‌గైడ్‌ను అభివృద్ధి చేసాము. నాన్‌లీనియర్ ఫోటోనిక్స్‌లో χ(3) నాన్‌లీనియారిటీ యొక్క అప్లికేషన్ అధ్యయనం చేయబడింది. దాని "ఇన్సులేటర్-ఆన్" నిర్మాణం కారణంగా బలమైన ఆప్టికల్ నిర్బంధంతో పాటు అద్భుతమైన χ(2) మరియు χ(3) నాన్‌లీనియర్ లక్షణాలను ప్రదర్శించే ఇన్సులేటర్ (LNoI) పై లిథియం నియోబేట్ యొక్క ప్రయోజనాలు, అల్ట్రాఫాస్ట్ మాడ్యులేటర్లు మరియు ఇంటిగ్రేటెడ్ నాన్‌లీనియర్ ఫోటోనిక్స్ [1-3] కోసం వేవ్‌గైడ్ టెక్నాలజీలో గణనీయమైన పురోగతికి దారితీశాయి. LN తో పాటు, లిథియం టాంటలేట్ (LT) కూడా నాన్‌లీనియర్ ఫోటోనిక్ పదార్థంగా పరిశోధించబడింది. LN తో పోలిస్తే, LT అధిక ఆప్టికల్ డ్యామేజ్ థ్రెషోల్డ్ మరియు విస్తృత ఆప్టికల్ ట్రాన్స్‌పరెన్సీ విండోను కలిగి ఉంది [4, 5], అయితే దాని ఆప్టికల్ పారామితులు, రిఫ్రాక్టివ్ ఇండెక్స్ మరియు నాన్‌లీనియర్ కోఎఫీషియంట్స్, LN [6, 7] మాదిరిగానే ఉంటాయి. అందువల్ల, అధిక ఆప్టికల్ పవర్ నాన్ లీనియర్ ఫోటోనిక్ అప్లికేషన్లకు LToI మరొక బలమైన అభ్యర్థి పదార్థంగా నిలుస్తుంది. అంతేకాకుండా, హై-స్పీడ్ మొబైల్ మరియు వైర్‌లెస్ టెక్నాలజీలలో వర్తించే సర్ఫేస్ అకౌస్టిక్ వేవ్ (SAW) ఫిల్టర్ పరికరాలకు LToI ప్రాథమిక పదార్థంగా మారుతోంది. ఈ సందర్భంలో, LToI వేఫర్‌లు ఫోటోనిక్ అప్లికేషన్లకు మరింత సాధారణ పదార్థాలుగా మారవచ్చు. అయితే, ఈ రోజు వరకు, LToI ఆధారంగా మైక్రోడిస్క్ రెసొనేటర్లు [8] మరియు ఎలక్ట్రో-ఆప్టిక్ ఫేజ్ షిఫ్టర్లు [9] వంటి కొన్ని ఫోటోనిక్ పరికరాలు మాత్రమే నివేదించబడ్డాయి. ఈ పత్రంలో, మేము తక్కువ-నష్టం LToI వేవ్‌గైడ్ మరియు రింగ్ రెసొనేటర్‌లో దాని అప్లికేషన్‌ను అందిస్తున్నాము. అదనంగా, మేము LToI వేవ్‌గైడ్ యొక్క χ(3) నాన్‌లీనియర్ లక్షణాలను అందిస్తాము.
ముఖ్య అంశాలు:
• దేశీయ సాంకేతికత మరియు పరిణతి చెందిన ప్రక్రియలను ఉపయోగించి, 100 nm నుండి 1500 nm వరకు పై పొర మందంతో 4-అంగుళాల నుండి 6-అంగుళాల LToI వేఫర్‌లు, సన్నని-పొర లిథియం టాంటలేట్ వేఫర్‌లను అందిస్తోంది.
• SINOI: అల్ట్రా-తక్కువ నష్టం కలిగిన సిలికాన్ నైట్రైడ్ సన్నని-పొర పొరలు.
• SICOI: సిలికాన్ కార్బైడ్ ఫోటోనిక్ ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్‌ల కోసం అధిక-స్వచ్ఛత సెమీ-ఇన్సులేటింగ్ సిలికాన్ కార్బైడ్ సన్నని-పొర ఉపరితలాలు.
• LTOI: లిథియం నియోబేట్, సన్నని పొర లిథియం టాంటలేట్ వేఫర్‌లకు బలమైన పోటీదారు.
• LNOI: 8-అంగుళాల LNOI, పెద్ద-స్థాయి సన్నని-పొర లిథియం నియోబేట్ ఉత్పత్తుల భారీ ఉత్పత్తికి మద్దతు ఇస్తుంది.
ఇన్సులేటర్ వేవ్‌గైడ్‌లపై తయారీ:ఈ అధ్యయనంలో, మేము 4-అంగుళాల LToI వేఫర్‌లను ఉపయోగించాము. పై LT పొర అనేది SAW పరికరాల కోసం వాణిజ్యపరంగా 42° తిప్పబడిన Y-కట్ LT సబ్‌స్ట్రేట్, ఇది 3 µm మందపాటి థర్మల్ ఆక్సైడ్ పొరతో Si సబ్‌స్ట్రేట్‌కు నేరుగా బంధించబడి, స్మార్ట్ కటింగ్ ప్రక్రియను ఉపయోగిస్తుంది. చిత్రం 1(a) 200 nm పై LT పొర మందంతో LToI వేఫర్ యొక్క పై వీక్షణను చూపుతుంది. అటామిక్ ఫోర్స్ మైక్రోస్కోపీ (AFM) ఉపయోగించి పై LT పొర యొక్క ఉపరితల కరుకుదనాన్ని మేము అంచనా వేసాము.
చిత్రం 1.(ఎ) LToI వేఫర్ యొక్క పై వీక్షణ, (బి) పై LT పొర యొక్క ఉపరితలం యొక్క AFM చిత్రం, (సి) పై LT పొర యొక్క ఉపరితలం యొక్క PFM చిత్రం, (డి) LToI వేవ్‌గైడ్ యొక్క స్కీమాటిక్ క్రాస్-సెక్షన్, (ఇ) లెక్కించిన ప్రాథమిక TE మోడ్ ప్రొఫైల్ మరియు (ఎఫ్) SiO2 ఓవర్‌లేయర్ నిక్షేపణకు ముందు LToI వేవ్‌గైడ్ కోర్ యొక్క SEM చిత్రం. చిత్రం 1 (బి)లో చూపిన విధంగా, ఉపరితల కరుకుదనం 1 nm కంటే తక్కువగా ఉంది మరియు ఎటువంటి స్క్రాచ్ లైన్‌లు గమనించబడలేదు. అదనంగా, చిత్రం 1 (సి)లో చూపిన విధంగా పైజోఎలెక్ట్రిక్ రెస్పాన్స్ ఫోర్స్ మైక్రోస్కోపీ (PFM)ని ఉపయోగించి పై LT పొర యొక్క ధ్రువణ స్థితిని మేము పరిశీలించాము. బంధన ప్రక్రియ తర్వాత కూడా ఏకరీతి ధ్రువణత నిర్వహించబడిందని మేము నిర్ధారించాము.
ఈ LToI సబ్‌స్ట్రేట్‌ని ఉపయోగించి, మేము వేవ్‌గైడ్‌ను ఈ క్రింది విధంగా తయారు చేసాము. మొదట, LT యొక్క తదుపరి డ్రై ఎచింగ్ కోసం ఒక మెటల్ మాస్క్ పొరను డిపాజిట్ చేశారు. తరువాత, మెటల్ మాస్క్ పొర పైన ఉన్న వేవ్‌గైడ్ కోర్ నమూనాను నిర్వచించడానికి ఎలక్ట్రాన్ బీమ్ (EB) లితోగ్రఫీని ప్రదర్శించారు. తరువాత, మేము EB రెసిస్ట్ నమూనాను డ్రై ఎచింగ్ ద్వారా మెటల్ మాస్క్ పొరకు బదిలీ చేసాము. తరువాత, ఎలక్ట్రాన్ సైక్లోట్రాన్ రెసొనెన్స్ (ECR) ప్లాస్మా ఎచింగ్ ఉపయోగించి LToI వేవ్‌గైడ్ కోర్ ఏర్పడింది. చివరగా, తడి ప్రక్రియ ద్వారా మెటల్ మాస్క్ పొరను తొలగించారు మరియు ప్లాస్మా-మెరుగైన రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణను ఉపయోగించి SiO2 ఓవర్‌లేయర్‌ను డిపాజిట్ చేశారు. చిత్రం 1 (d) LToI వేవ్‌గైడ్ యొక్క స్కీమాటిక్ క్రాస్-సెక్షన్‌ను చూపిస్తుంది. 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 విస్తరిస్తుందని గమనించండి.
చిత్రం 1 (e) 1550 nm వద్ద ఫండమెంటల్ ట్రాన్స్‌వర్స్ ఎలక్ట్రిక్ (TE) మోడ్ యొక్క లెక్కించిన ఆప్టికల్ ఇంటెన్సిటీ డిస్ట్రిబ్యూషన్‌ను ప్రదర్శిస్తుంది. చిత్రం 1 (f) SiO2 ఓవర్‌లేయర్ నిక్షేపణకు ముందు LToI వేవ్‌గైడ్ కోర్ యొక్క స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్ (SEM) చిత్రాన్ని చూపిస్తుంది.
వేవ్‌గైడ్ లక్షణాలు:మేము మొదట 1550 nm తరంగదైర్ఘ్యం విస్తరించిన స్పాంటేనియస్ ఎమిషన్ సోర్స్ నుండి TE-ధ్రువణ కాంతిని వివిధ పొడవుల LToI వేవ్‌గైడ్‌లలోకి ఇన్‌పుట్ చేయడం ద్వారా లీనియర్ లాస్ లక్షణాలను అంచనా వేసాము. ప్రతి తరంగదైర్ఘ్యం వద్ద వేవ్‌గైడ్ పొడవు మరియు ట్రాన్స్మిషన్ మధ్య సంబంధం యొక్క వాలు నుండి ప్రచార నష్టాన్ని పొందాము. కొలిచిన ప్రచార నష్టాలు వరుసగా 1530, 1550 మరియు 1570 nm వద్ద 0.32, 0.28 మరియు 0.26 dB/cm, Figure 2 (a)లో చూపిన విధంగా ఉన్నాయి. తయారు చేయబడిన LToI వేవ్‌గైడ్‌లు అత్యాధునిక LNoI వేవ్‌గైడ్‌లతో పోల్చదగిన తక్కువ-నష్ట పనితీరును ప్రదర్శించాయి [10].
తరువాత, నాలుగు-వేవ్ మిక్సింగ్ ప్రక్రియ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన తరంగదైర్ఘ్యం మార్పిడి ద్వారా మేము 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. చిత్రం 2 (b)లో చూపిన విధంగా, పెరుగుతున్న ఇన్‌పుట్ శక్తితో దశ-కంజుగేట్ (ఇడ్లర్) కాంతి తరంగ సిగ్నల్ తీవ్రత పెరిగింది. చిత్రం 2 (b)లోని ఇన్‌సెట్ నాలుగు-వేవ్ మిక్సింగ్ యొక్క సాధారణ అవుట్‌పుట్ స్పెక్ట్రమ్‌ను చూపిస్తుంది. ఇన్‌పుట్ శక్తి మరియు మార్పిడి సామర్థ్యం మధ్య సంబంధం నుండి, మేము నాన్‌లీనియర్ పరామితి (γ) సుమారు 11 W^-1mగా అంచనా వేసాము.
చిత్రం 3.(ఎ) తయారు చేయబడిన 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 ఒక LToI రింగ్ రెసొనేటర్‌ను తయారు చేసి దాని లక్షణాలను మూల్యాంకనం చేసాము. చిత్రం 3 (ఎ) తయారు చేయబడిన రింగ్ రెసొనేటర్ యొక్క ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోప్ చిత్రాన్ని చూపిస్తుంది. రింగ్ రెసొనేటర్ "రేస్‌ట్రాక్" కాన్ఫిగరేషన్‌ను కలిగి ఉంటుంది, ఇది 100 µm వ్యాసార్థం మరియు 100 µm పొడవు గల సరళ ప్రాంతంతో కూడిన వక్ర ప్రాంతాన్ని కలిగి ఉంటుంది. రింగ్ మరియు బస్ వేవ్‌గైడ్ కోర్ మధ్య అంతరం వెడల్పు 200 nm ఇంక్రిమెంట్‌లలో మారుతుంది, ప్రత్యేకంగా 800, 1000 మరియు 1200 nm వద్ద ఉంటుంది. చిత్రం 3 (బి) ప్రతి అంతరానికి ప్రసార స్పెక్ట్రాను ప్రదర్శిస్తుంది, అంతరం పరిమాణంతో విలుప్త నిష్పత్తి మారుతుందని సూచిస్తుంది. ఈ స్పెక్ట్రాల నుండి, 1000 nm అంతరం దాదాపుగా క్లిష్టమైన కలపడం పరిస్థితులను అందిస్తుందని మేము నిర్ధారించాము, ఎందుకంటే ఇది -26 dB యొక్క అత్యధిక విలుప్త నిష్పత్తిని ప్రదర్శిస్తుంది.
క్రిటికల్‌గా కపుల్డ్ రెసొనేటర్‌ని ఉపయోగించి, మేము లారెంజియన్ వక్రరేఖతో లీనియర్ ట్రాన్స్మిషన్ స్పెక్ట్రమ్‌ను అమర్చడం ద్వారా నాణ్యత కారకాన్ని (Q కారకం) అంచనా వేసాము, చిత్రం 3 (c)లో చూపిన విధంగా 1.1 మిలియన్ల అంతర్గత Q కారకం పొందాము. మాకు తెలిసినంతవరకు, ఇది వేవ్‌గైడ్-కపుల్డ్ LToI రింగ్ రెసొనేటర్ యొక్క మొదటి ప్రదర్శన. ముఖ్యంగా, మేము సాధించిన Q కారకం విలువ ఫైబర్-కపుల్డ్ LToI మైక్రోడిస్క్ రెసొనేటర్‌ల కంటే చాలా ఎక్కువ [9].
ముగింపు:మేము 1550 nm వద్ద 0.28 dB/cm నష్టం మరియు 1.1 మిలియన్ల రింగ్ రెసొనేటర్ Q కారకంతో LToI వేవ్‌గైడ్‌ను అభివృద్ధి చేసాము. పొందిన పనితీరు అత్యాధునిక తక్కువ-నష్టం LNoI వేవ్‌గైడ్‌లతో పోల్చదగినది. అదనంగా, ఆన్-చిప్ నాన్-లీనియర్ అప్లికేషన్‌ల కోసం తయారు చేయబడిన LToI వేవ్‌గైడ్ యొక్క χ(3) నాన్‌లీనియారిటీని మేము పరిశోధించాము.
పోస్ట్ సమయం: నవంబర్-20-2024
