अमूर्त:हमने 0.28 dB/cm की हानि और 1.1 मिलियन के रिंग रेज़ोनेटर गुणवत्ता कारक के साथ 1550 nm इंसुलेटर-आधारित लिथियम टैंटलेट वेवगाइड विकसित किया है। नॉनलाइनियर फोटोनिक्स में χ(3) नॉनलाइनियरिटी के अनुप्रयोग का अध्ययन किया गया है। लिथियम नायोबेट ऑन इंसुलेटर (LNoI) के लाभ, जो अपनी "इंसुलेटर-ऑन" संरचना के कारण उत्कृष्ट χ(2) और χ(3) नॉनलाइनियर गुणों के साथ-साथ मजबूत ऑप्टिकल परिरोध प्रदर्शित करता है, ने अल्ट्राफास्ट मॉड्यूलेटर और एकीकृत नॉनलाइनियर फोटोनिक्स के लिए वेवगाइड प्रौद्योगिकी में महत्वपूर्ण प्रगति की है [1-3]। LN के अलावा, लिथियम टैंटलेट (LT) को भी एक नॉनलाइनियर फोटोनिक सामग्री के रूप में जांचा गया है। LN की तुलना में, LT में उच्च ऑप्टिकल क्षति सीमा और व्यापक ऑप्टिकल पारदर्शिता विंडो है [4, 5], हालांकि इसके ऑप्टिकल पैरामीटर, जैसे अपवर्तक सूचकांक और नॉनलाइनियर गुणांक, LN के समान हैं [6, 7]। इस प्रकार, LToI उच्च ऑप्टिकल शक्ति वाले गैर-रेखीय फोटोनिक अनुप्रयोगों के लिए एक और मजबूत संभावित सामग्री के रूप में उभरता है। इसके अलावा, LToI सतह ध्वनिक तरंग (SAW) फ़िल्टर उपकरणों के लिए एक प्राथमिक सामग्री बनता जा रहा है, जो उच्च गति वाली मोबाइल और वायरलेस तकनीकों में लागू होते हैं। इस संदर्भ में, LToI वेफर्स फोटोनिक अनुप्रयोगों के लिए अधिक सामान्य सामग्री बन सकते हैं। हालांकि, अब तक, LToI पर आधारित केवल कुछ ही फोटोनिक उपकरणों की रिपोर्ट की गई है, जैसे कि माइक्रोडिस्क रेज़ोनेटर [8] और इलेक्ट्रो-ऑप्टिक फेज़ शिफ्टर [9]। इस पत्र में, हम एक कम हानि वाले LToI वेवगाइड और रिंग रेज़ोनेटर में इसके अनुप्रयोग को प्रस्तुत करते हैं। इसके अतिरिक्त, हम LToI वेवगाइड की χ(3) गैर-रेखीय विशेषताओं को भी प्रदान करते हैं।
प्रमुख बिंदु:
• घरेलू प्रौद्योगिकी और परिपक्व प्रक्रियाओं का उपयोग करते हुए, 100 एनएम से 1500 एनएम तक की ऊपरी परत की मोटाई वाले 4 इंच से 6 इंच के एलटीओआई वेफर्स, पतली-फिल्म लिथियम टैंटलेट वेफर्स की पेशकश करना।
• SINOI: अति निम्न हानि वाले सिलिकॉन नाइट्राइड पतली-फिल्म वेफर्स।
• SICOI: सिलिकॉन कार्बाइड फोटोनिक एकीकृत परिपथों के लिए उच्च-शुद्धता वाले अर्ध-अचालक सिलिकॉन कार्बाइड पतली-फिल्म सब्सट्रेट।
• एलटीओआई: लिथियम नायोबेट का एक मजबूत प्रतियोगी, थिन-फिल्म लिथियम टैंटलेट वेफर्स।
• एलएनओआई: 8-इंच एलएनओआई जो बड़े पैमाने पर पतली-फिल्म लिथियम नायोबेट उत्पादों के बड़े पैमाने पर उत्पादन का समर्थन करता है।
इंसुलेटर वेवगाइड्स पर विनिर्माण:इस अध्ययन में, हमने 4 इंच के LToI वेफर्स का उपयोग किया। शीर्ष LT परत SAW उपकरणों के लिए एक व्यावसायिक 42° घुमाव वाला Y-कट LT सबस्ट्रेट है, जिसे स्मार्ट कटिंग प्रक्रिया का उपयोग करके 3 µm मोटी थर्मल ऑक्साइड परत वाले Si सबस्ट्रेट से सीधे जोड़ा गया है। चित्र 1(a) में LToI वेफर का ऊपरी दृश्य दिखाया गया है, जिसमें शीर्ष LT परत की मोटाई 200 nm है। हमने एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी (AFM) का उपयोग करके शीर्ष LT परत की सतह खुरदरापन का आकलन किया।
चित्र 1.(a) LToI वेफर का ऊपरी दृश्य, (b) ऊपरी LT परत की सतह का AFM चित्र, (c) ऊपरी LT परत की सतह का PFM चित्र, (d) LToI वेवगाइड का योजनाबद्ध अनुप्रस्थ काट, (e) परिकलित मूलभूत TE मोड प्रोफ़ाइल, और (f) SiO2 ओवरलेयर जमाव से पहले LToI वेवगाइड कोर का SEM चित्र। जैसा कि चित्र 1 (b) में दिखाया गया है, सतह की खुरदरापन 1 nm से कम है, और कोई खरोंच रेखाएँ नहीं देखी गईं। इसके अतिरिक्त, हमने पीजोइलेक्ट्रिक रिस्पांस फोर्स माइक्रोस्कोपी (PFM) का उपयोग करके ऊपरी LT परत की ध्रुवीकरण स्थिति की जांच की, जैसा कि चित्र 1 (c) में दर्शाया गया है। हमने पुष्टि की कि बॉन्डिंग प्रक्रिया के बाद भी एकसमान ध्रुवीकरण बना रहा।
इस LToI सबस्ट्रेट का उपयोग करके, हमने वेवगाइड को निम्नानुसार निर्मित किया। सबसे पहले, LT की बाद में ड्राई एचिंग के लिए एक मेटल मास्क लेयर जमा की गई। फिर, मेटल मास्क लेयर के ऊपर वेवगाइड कोर पैटर्न को परिभाषित करने के लिए इलेक्ट्रॉन बीम (EB) लिथोग्राफी की गई। इसके बाद, हमने ड्राई एचिंग के माध्यम से EB रेसिस्ट पैटर्न को मेटल मास्क लेयर पर स्थानांतरित किया। इसके बाद, इलेक्ट्रॉन साइक्लोट्रॉन रेजोनेंस (ECR) प्लाज्मा एचिंग का उपयोग करके LToI वेवगाइड कोर का निर्माण किया गया। अंत में, वेट प्रोसेस के माध्यम से मेटल मास्क लेयर को हटा दिया गया, और प्लाज्मा-एनहांस्ड केमिकल वेपर डिपोजिशन का उपयोग करके SiO2 ओवरलेयर जमा की गई। चित्र 1 (d) LToI वेवगाइड का योजनाबद्ध क्रॉस-सेक्शन दर्शाता है। कुल कोर ऊंचाई, प्लेट ऊंचाई और कोर चौड़ाई क्रमशः 200 nm, 100 nm और 1000 nm हैं। ध्यान दें कि ऑप्टिकल फाइबर कपलिंग के लिए वेवगाइड किनारे पर कोर की चौड़ाई 3 µm तक बढ़ जाती है।
चित्र 1 (ई) में 1550 एनएम पर मूलभूत अनुप्रस्थ विद्युत (टीई) मोड के परिकलित प्रकाशीय तीव्रता वितरण को दर्शाया गया है। चित्र 1 (एफ) में SiO2 ओवरलेयर के निक्षेपण से पहले LToI वेवगाइड कोर की स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम) छवि दिखाई गई है।
वेवगाइड की विशेषताएं:हमने सर्वप्रथम 1550 एनएम तरंगदैर्ध्य प्रवर्धित स्वतः उत्सर्जन स्रोत से टीई-ध्रुवीकृत प्रकाश को विभिन्न लंबाई के एल-टू-आई वेवगाइड में प्रवाहित करके रैखिक हानि विशेषताओं का मूल्यांकन किया। प्रत्येक तरंगदैर्ध्य पर वेवगाइड की लंबाई और संचरण के बीच संबंध के ढलान से प्रसार हानि प्राप्त की गई। मापी गई प्रसार हानियाँ क्रमशः 1530, 1550 और 1570 एनएम पर 0.32, 0.28 और 0.26 डीबी/सेमी थीं, जैसा कि चित्र 2 (ए) में दर्शाया गया है। निर्मित एल-टू-आई वेवगाइड ने अत्याधुनिक एल-नोआई वेवगाइड [10] के समान कम हानि प्रदर्शन प्रदर्शित किया।
इसके बाद, हमने चार-तरंग मिश्रण प्रक्रिया द्वारा उत्पन्न तरंगदैर्ध्य रूपांतरण के माध्यम से χ(3) अरैखिकता का आकलन किया। हमने 12 मिमी लंबे वेवगाइड में 1550.0 एनएम पर एक सतत तरंग पंप प्रकाश और 1550.6 एनएम पर एक सिग्नल प्रकाश डाला। जैसा कि चित्र 2 (बी) में दिखाया गया है, इनपुट शक्ति बढ़ने के साथ चरण-संयुग्मी (आइडलर) प्रकाश तरंग सिग्नल की तीव्रता बढ़ गई। चित्र 2 (बी) में इनसेट चार-तरंग मिश्रण के विशिष्ट आउटपुट स्पेक्ट्रम को दर्शाता है। इनपुट शक्ति और रूपांतरण दक्षता के बीच संबंध से, हमने अरैखिक पैरामीटर (γ) का अनुमान लगभग 11 W^-1m लगाया।
चित्र तीन।(a) निर्मित रिंग रेज़ोनेटर का सूक्ष्मदर्शी चित्र। (b) विभिन्न अंतराल मापदंडों के साथ रिंग रेज़ोनेटर का संचरण स्पेक्ट्रम। (c) 1000 एनएम के अंतराल वाले रिंग रेज़ोनेटर का मापा गया और लोरेंत्ज़ियन-फिटेड संचरण स्पेक्ट्रम।
इसके बाद, हमने एक LToI रिंग रेज़ोनेटर बनाया और उसकी विशेषताओं का मूल्यांकन किया। चित्र 3 (a) निर्मित रिंग रेज़ोनेटर की ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप छवि दिखाता है। रिंग रेज़ोनेटर में एक "रेसट्रैक" संरचना है, जिसमें 100 µm त्रिज्या वाला एक घुमावदार क्षेत्र और 100 µm लंबाई वाला एक सीधा क्षेत्र शामिल है। रिंग और बस वेवगाइड कोर के बीच की गैप की चौड़ाई 200 nm के अंतराल में बदलती रहती है, विशेष रूप से 800, 1000 और 1200 nm पर। चित्र 3 (b) प्रत्येक गैप के लिए ट्रांसमिशन स्पेक्ट्रा दिखाता है, जिससे पता चलता है कि एक्सटिंक्शन अनुपात गैप के आकार के साथ बदलता है। इन स्पेक्ट्रा से, हमने निर्धारित किया कि 1000 nm का गैप लगभग क्रिटिकल कपलिंग स्थितियाँ प्रदान करता है, क्योंकि यह -26 dB का उच्चतम एक्सटिंक्शन अनुपात प्रदर्शित करता है।
क्रिटिकली कपल्ड रेज़ोनेटर का उपयोग करते हुए, हमने लीनियर ट्रांसमिशन स्पेक्ट्रम को लोरेंत्ज़ियन वक्र के साथ फिट करके क्वालिटी फैक्टर (क्यू फैक्टर) का अनुमान लगाया, जिससे हमें 1.1 मिलियन का आंतरिक क्यू फैक्टर प्राप्त हुआ, जैसा कि चित्र 3 (सी) में दिखाया गया है। हमारी जानकारी के अनुसार, यह वेवगाइड-कपल्ड एल-टू-आई रिंग रेज़ोनेटर का पहला प्रदर्शन है। विशेष रूप से, हमारे द्वारा प्राप्त क्यू फैक्टर का मान फाइबर-कपल्ड एल-टू-आई माइक्रोडिस्क रेज़ोनेटर [9] की तुलना में काफी अधिक है।
निष्कर्ष:हमने 1550 एनएम पर 0.28 dB/cm की हानि और 1.1 मिलियन के रिंग रेज़ोनेटर क्यू फैक्टर के साथ एक LToI वेवगाइड विकसित किया। प्राप्त प्रदर्शन अत्याधुनिक कम हानि वाले LNoI वेवगाइड के प्रदर्शन के तुलनीय है। इसके अतिरिक्त, हमने ऑन-चिप नॉनलाइनियर अनुप्रयोगों के लिए निर्मित LToI वेवगाइड की χ(3) नॉनलाइनियरिटी का अध्ययन किया।
पोस्ट करने का समय: 20 नवंबर 2024