સારાંશ:અમે 1550 nm ઇન્સ્યુલેટર-આધારિત લિથિયમ ટેન્ટાલેટ વેવગાઇડ વિકસાવ્યું છે જેમાં 0.28 dB/cm ના નુકસાન અને 1.1 મિલિયન રિંગ રેઝોનેટર ગુણવત્તા પરિબળ છે. નોનલાઇનર ફોટોનિક્સમાં χ(3) નોનલાઇનરિટીનો ઉપયોગ અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો છે. લિથિયમ નિયોબેટ ઓન ઇન્સ્યુલેટર (LNoI) ના ફાયદા, જે તેના "ઇન્સ્યુલેટર-ઓન" માળખાને કારણે મજબૂત ઓપ્ટિકલ કન્ફિનમેન્ટ સાથે ઉત્તમ χ(2) અને χ(3) નોનલાઇનર ગુણધર્મો દર્શાવે છે, તેના ફાયદાઓએ અલ્ટ્રાફાસ્ટ મોડ્યુલેટર અને ઇન્ટિગ્રેટેડ નોનલાઇનર ફોટોનિક્સ માટે વેવગાઇડ ટેકનોલોજીમાં નોંધપાત્ર પ્રગતિ કરી છે [1-3]. LN ઉપરાંત, લિથિયમ ટેન્ટાલેટ (LT) ને નોનલાઇનર ફોટોનિક સામગ્રી તરીકે પણ તપાસવામાં આવી છે. LN ની તુલનામાં, LT માં ઉચ્ચ ઓપ્ટિકલ નુકસાન થ્રેશોલ્ડ અને વિશાળ ઓપ્ટિકલ પારદર્શિતા વિન્ડો [4, 5] છે, જોકે તેના ઓપ્ટિકલ પરિમાણો, જેમ કે રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ અને નોનલાઇનર ગુણાંક, LN [6, 7] જેવા જ છે. આમ, LToI ઉચ્ચ ઓપ્ટિકલ પાવર નોનલાઇનર ફોટોનિક એપ્લિકેશન્સ માટે બીજી મજબૂત ઉમેદવાર સામગ્રી તરીકે બહાર આવે છે. વધુમાં, LToI સપાટી એકોસ્ટિક વેવ (SAW) ફિલ્ટર ડિવાઇસ માટે પ્રાથમિક સામગ્રી બની રહ્યું છે, જે હાઇ-સ્પીડ મોબાઇલ અને વાયરલેસ ટેકનોલોજીમાં લાગુ પડે છે. આ સંદર્ભમાં, LToI વેફર્સ ફોટોનિક એપ્લિકેશન્સ માટે વધુ સામાન્ય સામગ્રી બની શકે છે. જો કે, આજ સુધી, LToI પર આધારિત માત્ર થોડા ફોટોનિક ઉપકરણો જ નોંધાયા છે, જેમ કે માઇક્રોડિસ્ક રેઝોનેટર્સ [8] અને ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક ફેઝ શિફ્ટર્સ [9]. આ પેપરમાં, અમે ઓછા-નુકસાનવાળા LToI વેવગાઇડ અને રિંગ રેઝોનેટરમાં તેનો ઉપયોગ રજૂ કરીએ છીએ. વધુમાં, અમે LToI વેવગાઇડની χ(3) નોનલાઇનર લાક્ષણિકતાઓ પ્રદાન કરીએ છીએ.
મુખ્ય મુદ્દાઓ:
• સ્થાનિક ટેકનોલોજી અને પરિપક્વ પ્રક્રિયાઓનો ઉપયોગ કરીને, 4-ઇંચથી 6-ઇંચના LToI વેફર્સ, પાતળા-ફિલ્મ લિથિયમ ટેન્ટાલેટ વેફર્સ, 100 nm થી 1500 nm સુધીની ટોચની સ્તરની જાડાઈ સાથે ઓફર કરે છે.
• SINOI: અલ્ટ્રા-લો લોસ સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ થિન-ફિલ્મ વેફર્સ.
• SICOI: સિલિકોન કાર્બાઇડ ફોટોનિક ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ માટે ઉચ્ચ-શુદ્ધતા અર્ધ-ઇન્સ્યુલેટીંગ સિલિકોન કાર્બાઇડ પાતળા-ફિલ્મ સબસ્ટ્રેટ્સ.
• LTOI: લિથિયમ નિયોબેટ, પાતળા-ફિલ્મ લિથિયમ ટેન્ટાલેટ વેફર્સનો મજબૂત સ્પર્ધક.
• LNOI: 8-ઇંચ LNOI મોટા પાયે પાતળા-ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ ઉત્પાદનોના મોટા પાયે ઉત્પાદનને ટેકો આપે છે.
ઇન્સ્યુલેટર વેવગાઇડ્સ પર ઉત્પાદન:આ અભ્યાસમાં, અમે 4-ઇંચ LToI વેફર્સનો ઉપયોગ કર્યો. ટોચનું LT સ્તર SAW ઉપકરણો માટે એક વ્યાપારી 42° ફેરવાયેલ Y-કટ LT સબસ્ટ્રેટ છે, જે 3 µm જાડા થર્મલ ઓક્સાઇડ સ્તર સાથે સીધા Si સબસ્ટ્રેટ સાથે જોડાયેલું છે, જે સ્માર્ટ કટીંગ પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરે છે. આકૃતિ 1(a) LToI વેફરનું ટોચનું દૃશ્ય દર્શાવે છે, જેમાં ટોચના LT સ્તરની જાડાઈ 200 nm છે. અમે એટોમિક ફોર્સ માઇક્રોસ્કોપી (AFM) નો ઉપયોગ કરીને ટોચના LT સ્તરની સપાટીની ખરબચડીતાનું મૂલ્યાંકન કર્યું.
આકૃતિ 1.(a) LToI વેફરનો ટોચનો દૃશ્ય, (b) ટોચના LT સ્તરની સપાટીની AFM છબી, (c) ટોચના LT સ્તરની સપાટીની PFM છબી, (d) LToI વેવગાઇડનો યોજનાકીય ક્રોસ-સેક્શન, (e) ગણતરી કરેલ મૂળભૂત TE મોડ પ્રોફાઇલ, અને (f) SiO2 ઓવરલેયર ડિપોઝિશન પહેલાં LToI વેવગાઇડ કોરની SEM છબી. આકૃતિ 1 (b) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સપાટીની ખરબચડી 1 nm કરતા ઓછી છે, અને કોઈ સ્ક્રેચ લાઇન જોવા મળી નથી. વધુમાં, અમે આકૃતિ 1 (c) માં દર્શાવ્યા મુજબ, પીઝોઇલેક્ટ્રિક રિસ્પોન્સ ફોર્સ માઇક્રોસ્કોપી (PFM) નો ઉપયોગ કરીને ટોચના LT સ્તરની ધ્રુવીકરણ સ્થિતિની તપાસ કરી. અમે પુષ્ટિ કરી કે બંધન પ્રક્રિયા પછી પણ સમાન ધ્રુવીકરણ જાળવવામાં આવ્યું હતું.
આ LToI સબસ્ટ્રેટનો ઉપયોગ કરીને, અમે નીચે મુજબ વેવગાઇડ બનાવ્યું. પ્રથમ, LT ના અનુગામી ડ્રાય એચિંગ માટે મેટલ માસ્ક લેયર જમા કરવામાં આવ્યું. પછી, મેટલ માસ્ક લેયરની ટોચ પર વેવગાઇડ કોર પેટર્નને વ્યાખ્યાયિત કરવા માટે ઇલેક્ટ્રોન બીમ (EB) લિથોગ્રાફી કરવામાં આવી. આગળ, અમે ડ્રાય એચિંગ દ્વારા EB રેઝિસ્ટ પેટર્નને મેટલ માસ્ક લેયરમાં સ્થાનાંતરિત કર્યું. ત્યારબાદ, ઇલેક્ટ્રોન સાયક્લોટ્રોન રેઝોનન્સ (ECR) પ્લાઝ્મા એચિંગનો ઉપયોગ કરીને LToI વેવગાઇડ કોર બનાવવામાં આવ્યો. અંતે, મેટલ માસ્ક લેયરને ભીની પ્રક્રિયા દ્વારા દૂર કરવામાં આવ્યું, અને પ્લાઝ્મા-ઉન્નત રાસાયણિક વરાળ ડિપોઝિશનનો ઉપયોગ કરીને SiO2 ઓવરલેયર જમા કરવામાં આવ્યું. આકૃતિ 1 (d) LToI વેવગાઇડના યોજનાકીય ક્રોસ-સેક્શન દર્શાવે છે. કુલ કોર ઊંચાઈ, પ્લેટ ઊંચાઈ અને કોર પહોળાઈ અનુક્રમે 200 nm, 100 nm અને 1000 nm છે. નોંધ કરો કે ઓપ્ટિકલ ફાઇબર કપલિંગ માટે વેવગાઇડ ધાર પર કોર પહોળાઈ 3 µm સુધી વિસ્તરે છે.
આકૃતિ 1 (e) 1550 nm પર મૂળભૂત ટ્રાંસવર્સ ઇલેક્ટ્રિક (TE) મોડનું ગણતરી કરેલ ઓપ્ટિકલ તીવ્રતા વિતરણ દર્શાવે છે. આકૃતિ 1 (f) SiO2 ઓવરલેયરના ડિપોઝિશન પહેલાં LToI વેવગાઇડ કોરની સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપ (SEM) છબી દર્શાવે છે.
વેવગાઇડ લાક્ષણિકતાઓ:અમે સૌપ્રથમ 1550 nm તરંગલંબાઇ એમ્પ્લીફાઇડ સ્વયંસ્ફુરિત ઉત્સર્જન સ્ત્રોતમાંથી TE-ધ્રુવીકૃત પ્રકાશને વિવિધ લંબાઈના LToI વેવગાઇડ્સમાં ઇનપુટ કરીને રેખીય નુકસાન લાક્ષણિકતાઓનું મૂલ્યાંકન કર્યું. દરેક તરંગલંબાઇ પર વેવગાઇડ લંબાઈ અને ટ્રાન્સમિશન વચ્ચેના સંબંધના ઢાળ પરથી પ્રચાર નુકસાન મેળવવામાં આવ્યું હતું. માપેલ પ્રચાર નુકસાન 1530, 1550 અને 1570 nm પર અનુક્રમે 0.32, 0.28 અને 0.26 dB/cm હતા, જેમ કે આકૃતિ 2 (a) માં બતાવ્યા પ્રમાણે. બનાવટી LToI વેવગાઇડ્સે અત્યાધુનિક LNoI વેવગાઇડ્સ [10] સાથે તુલનાત્મક ઓછા-નુકસાન પ્રદર્શન દર્શાવ્યું.
આગળ, અમે ચાર-તરંગ મિશ્રણ પ્રક્રિયા દ્વારા ઉત્પન્ન થતી તરંગલંબાઇ રૂપાંતર દ્વારા χ(3) નોનલાઇનરિટીનું મૂલ્યાંકન કર્યું. અમે 12 મીમી લાંબા વેવગાઇડમાં 1550.0 nm પર સતત તરંગ પંપ લાઇટ અને 1550.6 nm પર સિગ્નલ લાઇટ ઇનપુટ કરી. આકૃતિ 2 (b) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, વધતી ઇનપુટ પાવર સાથે ફેઝ-કન્જુગેટ (નિષ્ક્રિય) લાઇટ વેવ સિગ્નલ તીવ્રતા વધી. આકૃતિ 2 (b) માં ઇનસેટ ચાર-તરંગ મિશ્રણના લાક્ષણિક આઉટપુટ સ્પેક્ટ્રમ દર્શાવે છે. ઇનપુટ પાવર અને રૂપાંતર કાર્યક્ષમતા વચ્ચેના સંબંધ પરથી, અમે નોનલાઇનર પેરામીટર (γ) આશરે 11 W^-1m હોવાનો અંદાજ લગાવ્યો.
આકૃતિ 3.(a) ફેબ્રિકેટેડ રિંગ રેઝોનેટરની માઇક્રોસ્કોપ છબી. (b) વિવિધ ગેપ પરિમાણો સાથે રિંગ રેઝોનેટરનો ટ્રાન્સમિશન સ્પેક્ટ્રા. (c) 1000 nm ના ગેપ સાથે રિંગ રેઝોનેટરનો માપેલ અને લોરેન્ટ્ઝિયન-ફિટેડ ટ્રાન્સમિશન સ્પેક્ટ્રમ.
આગળ, અમે એક LToI રિંગ રેઝોનેટર બનાવ્યું અને તેની લાક્ષણિકતાઓનું મૂલ્યાંકન કર્યું. આકૃતિ 3 (a) ફેબ્રિકેટ રિંગ રેઝોનેટરની ઓપ્ટિકલ માઇક્રોસ્કોપ છબી દર્શાવે છે. રિંગ રેઝોનેટરમાં "રેસટ્રેક" રૂપરેખાંકન છે, જેમાં 100 µm ની ત્રિજ્યા સાથે વક્ર પ્રદેશ અને 100 µm લંબાઈનો સીધો પ્રદેશ છે. રિંગ અને બસ વેવગાઇડ કોર વચ્ચેના ગેપ પહોળાઈ 200 nm ના વધારામાં બદલાય છે, ખાસ કરીને 800, 1000 અને 1200 nm પર. આકૃતિ 3 (b) દરેક ગેપ માટે ટ્રાન્સમિશન સ્પેક્ટ્રા દર્શાવે છે, જે દર્શાવે છે કે ગેપના કદ સાથે લુપ્તતા ગુણોત્તર બદલાય છે. આ સ્પેક્ટ્રામાંથી, અમે નક્કી કર્યું છે કે 1000 nm ગેપ લગભગ મહત્વપૂર્ણ જોડાણ પરિસ્થિતિઓ પૂરી પાડે છે, કારણ કે તે -26 dB નો સૌથી વધુ લુપ્તતા ગુણોત્તર દર્શાવે છે.
ક્રિટિકલ કપ્લ્ડ રેઝોનેટરનો ઉપયોગ કરીને, અમે રેખીય ટ્રાન્સમિશન સ્પેક્ટ્રમને લોરેન્ટ્ઝિયન કર્વ સાથે ફિટ કરીને ગુણવત્તા પરિબળ (Q પરિબળ) નો અંદાજ લગાવ્યો, આકૃતિ 3 (c) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, 1.1 મિલિયનનો આંતરિક Q પરિબળ મેળવ્યો. અમારા જ્ઞાન મુજબ, આ વેવગાઇડ-કપ્લ્ડ LToI રિંગ રેઝોનેટરનું પ્રથમ પ્રદર્શન છે. નોંધનીય છે કે, અમે પ્રાપ્ત કરેલ Q પરિબળ મૂલ્ય ફાઇબર-કપ્લ્ડ LToI માઇક્રોડિસ્ક રેઝોનેટર [9] કરતા નોંધપાત્ર રીતે વધારે છે.
નિષ્કર્ષ:અમે ૧૫૫૦ nm પર ૦.૨૮ dB/cm ના નુકશાન સાથે LToI વેવગાઇડ અને ૧.૧ મિલિયન રિંગ રેઝોનેટર Q ફેક્ટર સાથે LToI વેવગાઇડ વિકસાવી છે. પ્રાપ્ત કામગીરી અત્યાધુનિક લો-લોસ LNoI વેવગાઇડ્સ સાથે તુલનાત્મક છે. વધુમાં, અમે ઓન-ચિપ નોનલાઇનર એપ્લિકેશન્સ માટે ઉત્પાદિત LToI વેવગાઇડની χ(3) નોનલાઇનરિટીની તપાસ કરી.
પોસ્ટ સમય: નવેમ્બર-20-2024