خلاصة:لقد قمنا بتطوير دليل موجي تنتاليات الليثيوم القائم على عازل 1550 نانومتر مع خسارة قدرها 0.28 ديسيبل / سم وعامل جودة مرنان حلقي قدره 1.1 مليون. تمت دراسة تطبيق اللاخطية χ(3) في الضوئيات غير الخطية. إن مزايا نيوبات الليثيوم على العازل (LNoI)، الذي يُظهر خصائص غير خطية ممتازة χ(2) وχ(3) إلى جانب الحبس البصري القوي بسبب هيكله "العازل"، أدت إلى تقدم كبير في تكنولوجيا الدليل الموجي للسرعة الفائقة المغيرون والضوئيات غير الخطية المتكاملة [1-3]. بالإضافة إلى LN، تم أيضًا فحص تنتاليت الليثيوم (LT) كمواد فوتونية غير خطية. بالمقارنة مع LN، يتمتع LT بعتبة ضرر بصري أعلى ونافذة شفافية بصرية أوسع [4، 5]، على الرغم من أن معلماته البصرية، مثل معامل الانكسار والمعاملات غير الخطية، تشبه تلك الخاصة بـ LN [6، 7]. وبالتالي، تبرز LToI باعتبارها مادة مرشحة قوية أخرى للتطبيقات الضوئية غير الخطية ذات الطاقة الضوئية العالية. علاوة على ذلك، أصبحت LToI مادة أساسية لأجهزة تصفية الموجات الصوتية السطحية (SAW)، والتي يمكن تطبيقها في التقنيات المتنقلة واللاسلكية عالية السرعة. في هذا السياق، قد تصبح رقائق LToI مواد أكثر شيوعًا للتطبيقات الضوئية. ومع ذلك، حتى الآن، تم الإبلاغ عن عدد قليل فقط من الأجهزة الضوئية المعتمدة على LToI، مثل رنانات الأقراص الصغيرة [8] ومحولات الطور الكهروضوئية [9]. في هذا البحث، نقدم دليل موجي LToI منخفض الخسارة وتطبيقه في مرنان حلقي. بالإضافة إلى ذلك، نقدم الخصائص غير الخطية χ(3) للدليل الموجي LToI.
النقاط الرئيسية:
• تقديم رقائق LToI مقاس 4 إلى 6 بوصات، ورقائق تنتالات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة، مع سماكة الطبقة العليا التي تتراوح من 100 نانومتر إلى 1500 نانومتر، وذلك باستخدام التكنولوجيا المحلية والعمليات الناضجة.
• SINOI: رقائق رقيقة من نيتريد السيليكون ذات خسارة منخفضة للغاية.
• SICOI: ركائز الأغشية الرقيقة شبه العازلة عالية النقاء من كربيد السيليكون للدوائر المتكاملة الضوئية من كربيد السيليكون.
• LTOI: منافس قوي لرقائق تنتالات الليثيوم نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة.
• LNOI: LNOI مقاس 8 بوصات يدعم الإنتاج الضخم لمنتجات نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة على نطاق واسع.
التصنيع على الأدلة الموجية العازلة:في هذه الدراسة، استخدمنا رقائق LToI مقاس 4 بوصة. طبقة LT العلوية عبارة عن ركيزة LT تجارية على شكل حرف Y تدور بزاوية 42 درجة لأجهزة SAW، والتي يتم ربطها مباشرة بركيزة Si بطبقة أكسيد حراري بسمك 3 ميكرومتر، باستخدام عملية قطع ذكية. يُظهر الشكل 1 (أ) منظرًا علويًا لرقاقة LToI، بسمك طبقة LT العلوية يبلغ 200 نانومتر. قمنا بتقييم خشونة السطح للطبقة العليا LT باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM).
الشكل 1.(أ) منظر علوي لرقاقة LToI، (ب) صورة AFM لسطح طبقة LT العلوية، (ج) صورة PFM لسطح طبقة LT العلوية، (د) مقطع عرضي تخطيطي للدليل الموجي LToI، ( هـ ) حساب ملف تعريف وضع TE الأساسي، و ( و ) صورة SEM لنواة الدليل الموجي LToI قبل ترسيب طبقة SiO2. كما هو مبين في الشكل 1 (ب)، فإن خشونة السطح أقل من 1 نانومتر، ولم تلاحظ أي خطوط خدش. بالإضافة إلى ذلك، قمنا بفحص حالة الاستقطاب للطبقة LT العليا باستخدام المجهر قوة الاستجابة الكهرضغطية (PFM)، كما هو موضح في الشكل 1 (ج). لقد أكدنا أنه تم الحفاظ على الاستقطاب الموحد حتى بعد عملية الترابط.
باستخدام هذه الركيزة LToI، قمنا بتصنيع الدليل الموجي على النحو التالي. أولاً، تم ترسيب طبقة قناع معدني من أجل النقش الجاف اللاحق لـ LT. بعد ذلك، تم إجراء الطباعة الحجرية لشعاع الإلكترون (EB) لتحديد النمط الأساسي للدليل الموجي أعلى طبقة القناع المعدني. بعد ذلك، قمنا بنقل نمط مقاومة EB إلى طبقة القناع المعدني عبر النقش الجاف. بعد ذلك، تم تشكيل قلب الدليل الموجي LToI باستخدام النقش بالبلازما بالرنين السيكلوتروني الإلكتروني (ECR). وأخيرًا، تمت إزالة طبقة القناع المعدني من خلال عملية رطبة، وتم ترسيب طبقة SiO2 باستخدام ترسيب البخار الكيميائي المعزز بالبلازما. يوضح الشكل 1 (د) المقطع العرضي التخطيطي للدليل الموجي LToI. يبلغ إجمالي ارتفاع النواة وارتفاع اللوحة وعرض النواة 200 نانومتر و100 نانومتر و1000 نانومتر على التوالي. لاحظ أن العرض الأساسي يمتد إلى 3 ميكرومتر عند حافة الدليل الموجي لاقتران الألياف الضوئية.
يعرض الشكل 1 (هـ) توزيع الكثافة البصرية المحسوبة للوضع الكهربائي المستعرض الأساسي (TE) عند 1550 نانومتر. يُظهر الشكل 1 (و) صورة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لنواة الدليل الموجي LToI قبل ترسيب طبقة SiO2.
خصائص الدليل الموجي:قمنا أولاً بتقييم خصائص الخسارة الخطية عن طريق إدخال الضوء المستقطب TE من مصدر انبعاث تلقائي مضخم يبلغ طوله 1550 نانومتر في أدلة موجية LToI بأطوال مختلفة. تم الحصول على خسارة الانتشار من ميل العلاقة بين طول الدليل الموجي والإرسال عند كل طول موجي. وكانت خسائر الانتشار المقاسة 0.32 و0.28 و0.26 ديسيبل/سم عند 1530 و1550 و1570 نانومتر، على التوالي، كما هو مبين في الشكل 2 (أ). أظهرت أدلة الموجات LToI المُصنَّعة أداءً منخفض الخسارة مشابهًا لأدلة الموجات LNoI الحديثة [10].
بعد ذلك، قمنا بتقييم اللاخطية χ(3) من خلال تحويل الطول الموجي الناتج عن عملية خلط رباعية الموجات. نقوم بإدخال ضوء مضخة موجة مستمرة عند 1550.0 نانومتر ومصباح إشارة عند 1550.6 نانومتر في دليل موجي بطول 12 مم. كما هو مبين في الشكل 2 (ب)، زادت شدة إشارة الموجة الضوئية المترافقة الطور (العاطل) مع زيادة طاقة الإدخال. يُظهر الشكل الداخلي في الشكل 2 (ب) طيف الإخراج النموذجي لخلط الموجات الأربعة. من العلاقة بين طاقة الإدخال وكفاءة التحويل، قمنا بتقدير المعلمة غير الخطية (γ) بحوالي 11 واط^-1م.
الشكل 3.(أ) صورة مجهرية للرنان الدائري الملفق. ( ب ) أطياف الإرسال للرنان الحلقي مع معلمات الفجوة المختلفة. ( ج ) طيف الإرسال المُقاس والمُجهز من قبل لورنتزيان للرنان الحلقي مع وجود فجوة قدرها 1000 نانومتر.
بعد ذلك، قمنا بتصنيع مرنان حلقي LToI وقمنا بتقييم خصائصه. ويبين الشكل 3 (أ) صورة المجهر الضوئي لمرنان الحلقة الملفقة. يتميز المرنان الحلقي بتكوين "مضمار السباق"، الذي يتكون من منطقة منحنية يبلغ نصف قطرها 100 ميكرومتر ومنطقة مستقيمة يبلغ طولها 100 ميكرومتر. يختلف عرض الفجوة بين الحلقة ونواة الدليل الموجي للحافلة بزيادات قدرها 200 نانومتر، وتحديدًا عند 800 و1000 و1200 نانومتر. يعرض الشكل 3 (ب) أطياف الإرسال لكل فجوة، مما يشير إلى أن نسبة الانقراض تتغير مع حجم الفجوة. من هذه الأطياف، قررنا أن الفجوة 1000 نانومتر توفر ظروف اقتران حرجة تقريبًا، حيث إنها تظهر أعلى نسبة انقراض تبلغ -26 ديسيبل.
باستخدام الرنان المقترن بشكل حاسم، قمنا بتقدير عامل الجودة (عامل Q) عن طريق تركيب طيف النقل الخطي مع منحنى لورنتزيان، والحصول على عامل Q داخلي قدره 1.1 مليون، كما هو مبين في الشكل 3 (ج). على حد علمنا، هذا هو العرض الأول لمرنان حلقي LToI مقترن بدليل موجي. والجدير بالذكر أن قيمة عامل Q التي حققناها أعلى بكثير من قيمة مرنانات الأقراص الصغيرة LToI المقترنة بالألياف [9].
خاتمة:لقد قمنا بتطوير دليل موجي LToI بخسارة قدرها 0.28 ديسيبل / سم عند 1550 نانومتر وعامل مرنان حلقي Q يبلغ 1.1 مليون. الأداء الذي تم الحصول عليه يمكن مقارنته بأداء أحدث أدلة موجية LNoI منخفضة الخسارة. بالإضافة إلى ذلك، قمنا بدراسة اللاخطية χ(3) للدليل الموجي LToI المصنّع للتطبيقات غير الخطية الموجودة على الرقاقة.
وقت النشر: 20 نوفمبر 2024