Ágrip:Við höfum þróað 1550 nm einangrunarbylgjuleiðara úr litíumtantalati með tapi upp á 0,28 dB/cm og gæðastuðul hringóms upp á 1,1 milljón. Notkun χ(3) ólínuleika í ólínulegri ljósfræði hefur verið rannsökuð. Kostir litíumníóbats á einangrunarefni (LNoI), sem sýnir framúrskarandi χ(2) og χ(3) ólínulega eiginleika ásamt sterkri ljósfræðilegri takmörkun vegna „einangrunar-á“ uppbyggingar þess, hafa leitt til verulegra framfara í bylgjuleiðaratækni fyrir ofurhraða mótara og samþætta ólínulega ljósfræði [1-3]. Auk LN hefur litíumtantalat (LT) einnig verið rannsakað sem ólínulegt ljósfræðilegt efni. Í samanburði við LN hefur LT hærra ljósfræðilegt skaðaþröskuld og breiðara ljósfræðilegt gegnsæisglugga [4, 5], þó að ljósfræðilegir breytur þess, svo sem ljósbrotsstuðull og ólínulegir stuðlar, séu svipaðir og hjá LN [6, 7]. Þannig stendur LToI upp úr sem annað sterkt efni fyrir ólínulega ljósfræðilega notkun með mikilli ljósfræðilegri afköstum. Ennfremur er LToI að verða aðalefni fyrir síur fyrir yfirborðshljóðbylgjur (SAW), sem hægt er að nota í hraðvirkum farsíma- og þráðlausum tækni. Í þessu samhengi gætu LToI-skífur orðið algengari efni fyrir ljósfræðilega notkun. Hins vegar hafa aðeins fáein ljósfræðileg tæki byggð á LToI verið tilkynnt til þessa, svo sem ördiskómarar [8] og raf-ljósfræðilegir fasaskiptir [9]. Í þessari grein kynnum við lágtaps LToI-bylgjuleiðara og notkun hans í hringómarar. Að auki kynnum við χ(3) ólínulega eiginleika LToI-bylgjuleiðarans.
Lykilatriði:
• Við bjóðum upp á 4 tommu til 6 tommu LToI-skífur, þunnfilmu litíumtantalat-skífur, með þykkt efsta lagsins á bilinu 100 nm til 1500 nm, með því að nota innlenda tækni og þroskuð ferli.
• SINOI: Þunnfilmuskífur úr kísillnítríði með afar litlu tapi.
• SICOI: Hálf-einangrandi þunnfilmuundirlag úr kísillkarbíði með mikilli hreinleika fyrir ljósfræðilegar samþættar rafrásir úr kísillkarbíði.
• LTOI: Sterkur keppinautur við litíumníóbat, þunnfilmu litíumtantalatskífur.
• LNOI: 8 tommu LNOI sem styður fjöldaframleiðslu á stærri þunnfilmu litíumníóbatafurðum.
Framleiðsla á einangrunarbylgjuleiðurum:Í þessari rannsókn notuðum við 4 tommu LToI-skífur. Efsta LT-lagið er hefðbundið 42° snúið Y-skorið LT-undirlag fyrir SAW-tæki, sem er tengt beint við Si-undirlag með 3 µm þykku varmaoxíðlagi með því að nota snjalla skurðaraðferð. Mynd 1(a) sýnir toppsýn af LToI-skífunni, með þykkt efsta LT-lagsins upp á 200 nm. Við mátum yfirborðsgrófleika efsta LT-lagsins með því að nota atómkraftssmásjá (AFM).
Mynd 1.(a) Ofanásýn af LToI-skífunni, (b) AFM-mynd af yfirborði efsta LT-lagsins, (c) PFM-mynd af yfirborði efsta LT-lagsins, (d) Skýringarmynd af þversniði LToI-bylgjuleiðarans, (e) Reiknað grunn TE-hamssnið og (f) SEM-mynd af kjarna LToI-bylgjuleiðarans fyrir útfellingu SiO2-lagsins. Eins og sést á mynd 1 (b) er yfirborðsgrófleikinn minni en 1 nm og engar rispulínur sáust. Að auki skoðuðum við skautunarástand efsta LT-lagsins með því að nota piezoelectric response force microscopy (PFM), eins og sýnt er á mynd 1 (c). Við staðfestum að einsleit skautun var viðhaldið jafnvel eftir límingarferlið.
Með því að nota þetta LToI undirlag smíðuðum við bylgjuleiðarann á eftirfarandi hátt. Fyrst var málmgrímulag sett á til síðari þurretsunar á LT. Síðan var rafeindageislaþrykk (EB) framkvæmd til að skilgreina kjarnamynstur bylgjuleiðarans ofan á málmgrímulagið. Næst fluttum við EB viðnámsmynstrið yfir málmgrímulagið með þurretsun. Að lokum var LToI bylgjuleiðarakjarninn myndaður með rafeindahringrásaróms (ECR) plasmaetsun. Að lokum var málmgrímulagið fjarlægt með blautu ferli og SiO2 yfirlag sett á með plasmastyrktri efnagufuútfellingu. Mynd 1 (d) sýnir skýringarmynd af þversniði LToI bylgjuleiðarans. Heildarhæð kjarnans, plötuhæð og kjarnabreidd eru 200 nm, 100 nm og 1000 nm, talið í sömu röð. Athugið að kjarnabreiddin eykst í 3 µm við brún bylgjuleiðarans fyrir ljósleiðaratengingu.
Mynd 1 (e) sýnir reiknaða dreifingu ljósstyrks í grundvallarþverskiptum rafsegulbylgjuham (TE) við 1550 nm. Mynd 1 (f) sýnir mynd af LToI bylgjuleiðarakjarnanum, tekin með rafeindasmásjá (SEM), áður en SiO2 yfirlagið er sett á.
Einkenni bylgjuleiðara:Við metum fyrst eiginleika línulegs taps með því að setja TE-skautað ljós frá 1550 nm bylgjulengdarmagnaðri sjálfsprottinni útgeislunargjafa inn í LToI bylgjuleiðara af mismunandi lengd. Útbreiðslutapið var fengið út frá hallatölu sambandsins milli lengdar bylgjuleiðara og ljósgeislunar við hverja bylgjulengd. Mæld útbreiðslutap voru 0,32, 0,28 og 0,26 dB/cm við 1530, 1550 og 1570 nm, eins og sýnt er á mynd 2 (a). Framleiddu LToI bylgjuleiðararnir sýndu sambærilega lágt tap og nýjustu LNoI bylgjuleiðarar [10].
Næst metum við ólínuleika χ(3) með bylgjulengdarbreytingu sem mynduð var með fjögurra bylgju blöndunarferli. Við settum inn samfellda bylgjudæluljós við 1550,0 nm og merkjaljós við 1550,6 nm í 12 mm langan bylgjuleiðara. Eins og sést á mynd 2 (b) jókst styrkleiki fasa-samtengdrar (óvirkrar) ljósbylgju með aukinni inntaksafli. Innskot myndar 2 (b) sýnir dæmigert úttaksróf fjögurra bylgju blöndunarinnar. Út frá sambandi inntaksafls og umbreytingarhagkvæmni áætluðum við ólínulega breytuna (γ) sem um það bil 11 W^-1m.
Mynd 3.(a) Smásjármynd af smíðaða hringómhljóðnemanum. (b) Gegndræpisróf hringómhljóðnemans með ýmsum bilsbreytum. (c) Mælt og Lorentz-aðlagað gegndræpisróf hringómhljóðnemans með 1000 nm bili.
Næst smíðuðum við LToI hringómtæki og metum eiginleika hans. Mynd 3 (a) sýnir ljósasmásjármynd af smíðaða hringómtækinu. Hringómtækið er með „kappakstursbraut“-uppsetningu, sem samanstendur af bogadregnu svæði með 100 µm radíus og beinu svæði sem er 100 µm að lengd. Breidd bilsins milli hringsins og kjarna strætisbylgjuleiðarans er breytileg í 200 nm þrepum, sérstaklega við 800, 1000 og 1200 nm. Mynd 3 (b) sýnir flutningsrófin fyrir hvert bil, sem gefur til kynna að slokknunarhlutfallið breytist með stærð bilsins. Út frá þessum rófum ákváðum við að 1000 nm bilið býður upp á næstum mikilvæg tengiskilyrði, þar sem það sýnir hæsta slokknunarhlutfallið upp á -26 dB.
Með því að nota gagnrýnið tengda ómholfið, mátum við gæðastuðulinn (Q-stuðulinn) með því að aðlaga línulega flutningsrófið að Lorentz-kúrfu, sem fékk innri Q-stuðul upp á 1,1 milljón, eins og sýnt er á mynd 3 (c). Okkur vitandi er þetta fyrsta sýnikennslan á bylgjuleiðaratengdum LToI hringómholf. Athyglisvert er að Q-stuðulsgildið sem við náðum er marktækt hærra en gildið fyrir trefjatengda LToI ördiskóma [9].
Niðurstaða:Við þróuðum LToI bylgjuleiðara með tapi upp á 0,28 dB/cm við 1550 nm og Q-stuðul hringóms upp á 1,1 milljón. Afköstin sem fengust eru sambærileg við afköst nýjustu lágtaps LNoI bylgjuleiðara. Að auki rannsökuðum við χ(3) ólínuleika framleidda LToI bylgjuleiðarans fyrir ólínuleg forrit á örgjörva.
Birtingartími: 20. nóvember 2024