خلاصة:لقد طورنا موجهًا ضوئيًا من تانتالات الليثيوم، قائمًا على عازل، يعمل عند طول موجي 1550 نانومتر، بفقد قدره 0.28 ديسيبل/سم ومعامل جودة رنان حلقي يبلغ 1.1 مليون. ودرسنا تطبيق اللاخطية من النوع χ(3) في مجال الفوتونيات اللاخطية. وقد أدت مزايا نيوبات الليثيوم على العازل (LNoI)، الذي يُظهر خصائص لاخطية ممتازة من النوعين χ(2) و χ(3) إلى جانب حصر بصري قوي بفضل بنيته "العازل-المشغل"، إلى تحقيق تقدم كبير في تكنولوجيا الموجهات الضوئية للمعدلات فائقة السرعة والفوتونيات اللاخطية المتكاملة [1-3]. إضافةً إلى نيوبات الليثيوم، دُرست تانتالات الليثيوم (LT) أيضًا كمادة فوتونية لاخطية. بالمقارنة مع نيوبات الليثيوم (LN)، يتميز الليثيوم إيزوسيانات (LT) بعتبة تلف بصري أعلى ونافذة شفافية بصرية أوسع [4، 5]، على الرغم من أن خصائصه البصرية، مثل معامل الانكسار ومعاملات اللاخطية، مشابهة لتلك الخاصة بنيبات الليثيوم [6، 7]. ولذلك، يبرز الليثيوم إيزوسيانات كمادة مرشحة قوية أخرى لتطبيقات الفوتونيات اللاخطية ذات القدرة البصرية العالية. علاوة على ذلك، أصبح الليثيوم إيزوسيانات مادة أساسية لأجهزة ترشيح الموجات الصوتية السطحية (SAW)، والتي تُستخدم في تقنيات الاتصالات اللاسلكية والمتنقلة عالية السرعة. في هذا السياق، قد تصبح رقائق الليثيوم إيزوسيانات موادًا أكثر شيوعًا في تطبيقات الفوتونيات. مع ذلك، لم يُنشر حتى الآن سوى عدد قليل من الأجهزة الفوتونية القائمة على الليثيوم إيزوسيانات، مثل رنانات الأقراص الدقيقة [8] ومغيرات الطور الكهروضوئية [9]. في هذه الورقة، نعرض دليلًا موجيًا منخفض الفقد من الليثيوم إيزوسيانات وتطبيقه في رنان حلقي. بالإضافة إلى ذلك، نقدم الخصائص اللاخطية χ(3) لدليل الليثيوم إيزوسيانات الموجي.
النقاط الرئيسية:
• تقديم رقائق LToI من 4 بوصات إلى 6 بوصات، ورقائق تانتالات الليثيوم ذات الطبقة الرقيقة، بسماكات الطبقة العلوية التي تتراوح من 100 نانومتر إلى 1500 نانومتر، باستخدام التكنولوجيا المحلية والعمليات الناضجة.
• SINOI: رقائق رقيقة من نيتريد السيليكون ذات فقد منخفض للغاية.
• SICOI: ركائز رقيقة من كربيد السيليكون شبه العازل عالي النقاء لدوائر الفوتونيات المتكاملة المصنوعة من كربيد السيليكون.
• LTOI: منافس قوي لرقائق نيوبات الليثيوم، ورقائق تانتالات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة.
• LNOI: LNOI مقاس 8 بوصات يدعم الإنتاج الضخم لمنتجات نيوبات الليثيوم الرقيقة على نطاق أوسع.
التصنيع على الموجهات الموجية العازلة:في هذه الدراسة، استخدمنا رقائق LToI بقطر 4 بوصات. الطبقة العلوية من LT عبارة عن ركيزة LT تجارية مقطوعة بزاوية 42 درجة على المحور Y، مُخصصة لأجهزة SAW، ومُلصقة مباشرةً بركيزة من السيليكون بطبقة أكسيد حراري بسمك 3 ميكرومتر، باستخدام عملية قطع ذكية. يوضح الشكل 1(أ) منظرًا علويًا لرقاقة LToI، بسمك 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 الطبقة العلوية LT، (ج) صورة مجهر قوة الاستجابة الكهروإجهادية (PFM) لسطح الطبقة العلوية LT، (د) رسم تخطيطي للمقطع العرضي لدليل الموجة LToI، (هـ) مخطط نمط TE الأساسي المحسوب، و(و) صورة مجهر المسح الإلكتروني (SEM) لنواة دليل الموجة 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 الطبقة العلوية LT باستخدام مجهر قوة الاستجابة الكهروإجهادية (PFM)، كما هو موضح في الشكل 1 (ج). وقد تأكدنا من الحفاظ على استقطاب منتظم حتى بعد عملية الربط.
باستخدام ركيزة LToI هذه، قمنا بتصنيع الدليل الموجي على النحو التالي: أولًا، تم ترسيب طبقة قناع معدنية للحفر الجاف اللاحق لركيزة LT. ثم، تم استخدام الطباعة الحجرية بشعاع الإلكترون (EB) لتحديد نمط لب الدليل الموجي فوق طبقة القناع المعدنية. بعد ذلك، تم نقل نمط مقاومة شعاع الإلكترون إلى طبقة القناع المعدنية عبر الحفر الجاف. ثم، تم تشكيل لب الدليل الموجي LToI باستخدام حفر بلازما رنين السيكلوترون الإلكتروني (ECR). أخيرًا، تمت إزالة طبقة القناع المعدنية من خلال عملية رطبة، وتم ترسيب طبقة SiO2 باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار المعزز بالبلازما. يوضح الشكل 1 (د) المقطع العرضي التخطيطي للدليل الموجي LToI. يبلغ الارتفاع الكلي لللب، وارتفاع الصفيحة، وعرض اللب 200 نانومتر، و100 نانومتر، و1000 نانومتر على التوالي. تجدر الإشارة إلى أن عرض اللب يتسع إلى 3 ميكرومتر عند حافة الدليل الموجي لتوصيل الألياف الضوئية.
يوضح الشكل 1 (هـ) توزيع شدة الضوء المحسوب للنمط الكهربائي المستعرض الأساسي (TE) عند 1550 نانومتر. ويُظهر الشكل 1 (و) صورة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لنواة دليل الموجة LToI قبل ترسيب طبقة SiO2.
خصائص الموجهات الموجية:قمنا أولاً بتقييم خصائص الفقد الخطي عن طريق إدخال ضوء مستقطب TE من مصدر انبعاث تلقائي مُضخّم بطول موجي 1550 نانومتر إلى موجهات LToI بأطوال مختلفة. تم حساب فقد الانتشار من ميل العلاقة بين طول الموجه والنفاذية عند كل طول موجي. بلغت قيم فقد 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 موجهات LToI المصنعة أداءً منخفض الفقد مماثلاً لأحدث موجهات LNoI [10].
بعد ذلك، قمنا بتقييم اللاخطية χ(3) من خلال تحويل الطول الموجي الناتج عن عملية مزج أربع موجات. أدخلنا ضوء ضخ مستمر بطول 1550.0 نانومتر وضوء إشارة بطول 1550.6 نانومتر إلى دليل موجي بطول 12 مم. كما هو موضح في الشكل 2 (ب)، ازدادت شدة إشارة الموجة الضوئية المترافقة الطور (الموجة الخاملة) مع زيادة قدرة الإدخال. يوضح الشكل المُدرج في الشكل 2 (ب) طيف الخرج النموذجي لعملية مزج أربع موجات. من خلال العلاقة بين قدرة الإدخال وكفاءة التحويل، قدرنا قيمة المعامل اللاخطي (γ) بحوالي 11 واط⁻¹ متر.
الشكل 3.(أ) صورة مجهرية للرنان الحلقي المصنّع. (ب) أطياف النقل للرنان الحلقي بمعاملات فجوة مختلفة. (ج) طيف النقل المقاس والمُطابق لدالة لورنتز للرنان الحلقي بفجوة 1000 نانومتر.
بعد ذلك، قمنا بتصنيع رنان حلقي من نوع LToI وقمنا بتقييم خصائصه. يوضح الشكل 3 (أ) صورة مجهرية ضوئية للرنان الحلقي المصنّع. يتميز الرنان الحلقي بتصميم "حلبة سباق"، يتكون من منطقة منحنية نصف قطرها 100 ميكرومتر ومنطقة مستقيمة طولها 100 ميكرومتر. يتغير عرض الفجوة بين الحلقة وقلب الموجه الموجي الرئيسي بزيادات قدرها 200 نانومتر، وتحديدًا عند 800 و1000 و1200 نانومتر. يعرض الشكل 3 (ب) أطياف النقل لكل فجوة، مما يشير إلى أن نسبة الانقراض تتغير بتغير حجم الفجوة. من هذه الأطياف، حددنا أن الفجوة ذات عرض 1000 نانومتر توفر ظروف اقتران شبه حرجة، حيث تُظهر أعلى نسبة انقراض تبلغ -26 ديسيبل.
باستخدام الرنان ذي الاقتران الحرج، قمنا بتقدير عامل الجودة (Q) عن طريق مطابقة طيف النقل الخطي مع منحنى لورنتزي، وحصلنا على عامل جودة داخلي قدره 1.1 مليون، كما هو موضح في الشكل 3 (ج). وحسب علمنا، يُعد هذا أول عرض توضيحي لرنان حلقي من نوع LToI مقترن بموجه ضوئي. والجدير بالذكر أن قيمة عامل الجودة التي حققناها أعلى بكثير من قيمة عامل الجودة في رنانات الأقراص الدقيقة من نوع LToI المقترنة بالألياف الضوئية [9].
خاتمة:قمنا بتطوير موجه LToI بفقدان قدره 0.28 ديسيبل/سم عند 1550 نانومتر ومعامل جودة (Q) للرنان الحلقي يبلغ 1.1 مليون. ويُضاهي الأداء المُحقق أداء أحدث الموجهات LNoI منخفضة الفقد. بالإضافة إلى ذلك، قمنا بدراسة اللاخطية من الدرجة الثالثة (χ(3)) لموجه LToI المُصنّع لتطبيقات اللاخطية على الرقاقة.
تاريخ النشر: 20 نوفمبر 2024