خلاصة:لقد طورنا دليلاً موجيًا من تانتالات الليثيوم، قائمًا على عازل، بطول موجة 1550 نانومتر، بفقدان قدره 0.28 ديسيبل/سم، ومعامل جودة مرنان حلقي قدره 1.1 مليون. وقد دُرست تطبيقات اللاخطية χ(3) في الفوتونيات اللاخطية. وقد أدت مزايا نيوبات الليثيوم على العازل (LNoI)، الذي يتميز بخصائص لاخطية ممتازة χ(2) وχ(3) بالإضافة إلى حصر بصري قوي بفضل بنيته العازلة، إلى تطورات ملحوظة في تكنولوجيا الدليل الموجي للمُعدِّلات فائقة السرعة والفوتونيات اللاخطية المتكاملة [1-3]. بالإضافة إلى النيوبات الليثيومية، دُرست تانتالات الليثيوم (LT) أيضًا كمادة فوتونية لاخطية. بالمقارنة مع LN، فإن LT لديه عتبة تلف بصري أعلى ونافذة شفافية بصرية أوسع [4، 5]، على الرغم من أن معلماته البصرية، مثل معامل الانكسار والمعاملات غير الخطية، مماثلة لتلك الموجودة في LN [6، 7]. وبالتالي، تبرز LToI كمادة مرشحة قوية أخرى للتطبيقات الفوتونية غير الخطية عالية القدرة البصرية. علاوة على ذلك، أصبحت LToI مادة أساسية لأجهزة ترشيح الموجات الصوتية السطحية (SAW)، القابلة للتطبيق في تقنيات الهاتف المحمول واللاسلكي عالية السرعة. في هذا السياق، قد تصبح رقائق LToI مواد أكثر شيوعًا للتطبيقات الفوتونية. ومع ذلك، حتى الآن، تم الإبلاغ عن عدد قليل فقط من الأجهزة الفوتونية القائمة على LToI، مثل مرنانات الأقراص الدقيقة [8] ومحولات الطور الكهروضوئية [9]. في هذه الورقة، نقدم موجه LToI منخفض الخسارة وتطبيقه في مرنان حلقي. بالإضافة إلى ذلك، نقدم الخصائص غير الخطية χ(3) لموجه LToI.
النقاط الرئيسية:
• تقديم رقائق تانتالات الليثيوم ذات الطبقة الرقيقة من 4 إلى 6 بوصات، مع سمك الطبقة العلوية يتراوح من 100 نانومتر إلى 1500 نانومتر، باستخدام التكنولوجيا المحلية والعمليات الناضجة.
• SINOI: رقائق رقيقة من نيتريد السيليكون ذات خسارة منخفضة للغاية.
• SICOI: ركائز رقيقة من كربيد السيليكون شبه العازلة عالية النقاء للدوائر المتكاملة الفوتونية من كربيد السيليكون.
• LTOI: منافس قوي لنيوبات الليثيوم، رقائق تانتالات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة.
• LNOI: LNOI مقاس 8 بوصات يدعم الإنتاج الضخم لمنتجات نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة الأكبر حجمًا.
التصنيع على الموجهات الموجية للعوازل:في هذه الدراسة، استخدمنا رقائق LToI بسمك 4 بوصات. الطبقة العلوية من LT عبارة عن ركيزة LT تجارية مقطوعة على شكل حرف Y، تدور بزاوية 42 درجة، مخصصة لأجهزة SAW، وهي متصلة مباشرة بركيزة Si بطبقة أكسيد حراري بسمك 3 ميكرومتر، باستخدام عملية قطع ذكية. يوضح الشكل 1 (أ) منظرًا علويًا لرقاقة LToI، حيث يبلغ سمك طبقة LT العلوية 200 نانومتر. قمنا بتقييم خشونة سطح طبقة LT العلوية باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM).
الشكل 1.(أ) منظر علوي لرقاقة LToI، (ب) صورة مجهر القوة الذرية (AFM) لسطح طبقة LT العلوية، (ج) صورة مجهر PFM لسطح طبقة LT العلوية، (د) مقطع عرضي تخطيطي لموجة الدليل LToI، (هـ) مخطط وضع TE الأساسي المحسوب، و(و) صورة مجهر المسح الإلكتروني للجوهر SEM لنواة موجة الدليل LToI قبل ترسيب طبقة SiO2. كما هو موضح في الشكل 1 (ب)، فإن خشونة السطح أقل من 1 نانومتر، ولم تُلاحظ أي خطوط خدش. بالإضافة إلى ذلك، فحصنا حالة استقطاب طبقة LT العلوية باستخدام مجهر قوة الاستجابة الكهرضغطية (PFM)، كما هو موضح في الشكل 1 (ج). وقد تأكدنا من الحفاظ على الاستقطاب المنتظم حتى بعد عملية الترابط.
باستخدام ركيزة LToI هذه، صنعنا الدليل الموجي على النحو التالي. أولاً، تم ترسيب طبقة قناع معدني للنقش الجاف اللاحق للـ LT. بعد ذلك، تم إجراء الطباعة الحجرية لحزمة الإلكترونات (EB) لتحديد نمط قلب الدليل الموجي أعلى طبقة القناع المعدني. بعد ذلك، نقلنا نمط مقاومة EB إلى طبقة القناع المعدني عبر النقش الجاف. بعد ذلك، تم تشكيل قلب الدليل الموجي LToI باستخدام النقش البلازمي بالرنين السيكلوتروني الإلكتروني (ECR). وأخيرًا، تمت إزالة طبقة القناع المعدني من خلال عملية رطبة، وتم ترسيب طبقة علوية من SiO2 باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار المعزز بالبلازما. يوضح الشكل 1 (د) المقطع العرضي التخطيطي للدليل الموجي LToI. يبلغ الارتفاع الكلي للقلب وارتفاع اللوحة وعرض القلب 200 نانومتر و100 نانومتر و1000 نانومتر على التوالي. لاحظ أن عرض القلب يتوسع إلى 3 ميكرومتر عند حافة الدليل الموجي لربط الألياف الضوئية.
يوضح الشكل 1 (هـ) توزيع الكثافة الضوئية المحسوب للوضع الكهربائي العرضي الأساسي (TE) عند طول موجي 1550 نانومتر. يوضح الشكل 1 (و) صورة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لنواة الموجة الموجهة LToI قبل ترسيب طبقة SiO2.
خصائص الموجة الموجهة:قمنا أولاً بتقييم خصائص الفقد الخطي بإدخال ضوء مستقطب TE من مصدر انبعاث تلقائي مُضخّم بطول موجي 1550 نانومتر إلى أدلة موجات LToI بأطوال مختلفة. حُسب فقدان الانتشار من ميل العلاقة بين طول الدليل الموجي وقوة النقل عند كل طول موجي. بلغت خسائر الانتشار المقاسة 0.32 و0.28 و0.26 ديسيبل/سم عند أطوال موجية 1530 و1550 و1570 نانومتر، على التوالي، كما هو موضح في الشكل 2 (أ). أظهرت أدلة موجات LToI المصنّعة أداءً منخفض الفقد يُضاهي أداء أدلة موجات LNoI المتطورة [10].
بعد ذلك، قمنا بتقييم اللاخطية χ(3) من خلال تحويل الطول الموجي الناتج عن عملية خلط رباعي الموجات. أدخلنا ضوء مضخة موجة مستمرة بطول 1550.0 نانومتر وضوء إشارة بطول 1550.6 نانومتر في موجه موجي بطول 12 مم. كما هو موضح في الشكل 2 (ب)، ازدادت شدة إشارة موجة الضوء المترافقة مع الطور (الخاملة) بزيادة طاقة الإدخال. يوضح الشكل 2 (ب) طيف الخرج النموذجي لعملية الخلط رباعي الموجات. بناءً على العلاقة بين طاقة الإدخال وكفاءة التحويل، قدّرنا المعامل اللاخطي (γ) بحوالي 11 واط^-1 متر.
الشكل 3.(أ) صورة مجهرية للمرنان الحلقي المصنوع. (ب) أطياف النقل للمرنان الحلقي مع معلمات فجوة مختلفة. (ج) طيف النقل المقاس والملائم للورنتزي للمرنان الحلقي مع فجوة 1000 نانومتر.
بعد ذلك، صنعنا مرنانًا حلقيًا بتقنية LToI وقيّمنا خصائصه. يوضح الشكل 3 (أ) صورة المجهر الضوئي للمرنان الحلقي المُصنّع. يتميز مرنان الحلقة بتصميم "مسار السباق"، يتكون من منطقة منحنية نصف قطرها 100 ميكرومتر ومنطقة مستقيمة طولها 100 ميكرومتر. يختلف عرض الفجوة بين الحلقة ونواة الدليل الموجي للحافلة بزيادات قدرها 200 نانومتر، وتحديدًا عند أطوال موجات 800 و1000 و1200 نانومتر. يعرض الشكل 3 (ب) أطياف النفاذية لكل فجوة، مما يشير إلى أن نسبة الانطفاء تتغير بتغير حجم الفجوة. من هذه الأطياف، حددنا أن فجوة 1000 نانومتر توفر ظروف اقتران حرجة تقريبًا، حيث تُظهر أعلى نسبة انطفاء تبلغ -26 ديسيبل.
باستخدام الرنان المقترن حرجًا، قدّرنا عامل الجودة (عامل Q) بملاءمة طيف النقل الخطي مع منحنى لورنتز، وحصلنا على عامل Q داخلي قدره 1.1 مليون، كما هو موضح في الشكل 3 (ج). على حد علمنا، يُعد هذا أول عرض لمرنان حلقي LToI مقترن بالموجة. والجدير بالذكر أن قيمة عامل Q التي حققناها أعلى بكثير من قيمة الرنانات القرصية الدقيقة LToI المقترنة بالألياف [9].
خاتمة:قمنا بتطوير موجه موجة LToI بفقدان قدره 0.28 ديسيبل/سم عند طول موجة 1550 نانومتر، ومعامل Q لمرنان حلقي قدره 1.1 مليون. يُضاهي الأداء الناتج أداء موجهات موجة LNoI الحديثة منخفضة الفقد. بالإضافة إلى ذلك، درسنا عدم خطية χ(3) لموجه الموجة LToI المُصنّع للتطبيقات غير الخطية على الشريحة.
وقت النشر: ٢٠ نوفمبر ٢٠٢٤