အနှစ်ချုပ်-ကျွန်ုပ်တို့သည် 0.28 dB/cm2 ဆုံးရှုံးမှုနှင့် ring resonator quality factor 1.1 million ရှိသော 1550 nm insulator-based lithium tantalate waveguide ကို တီထွင်ခဲ့ပါသည်။ nonlinear photonics တွင် χ(3) nonlinearity ကို အသုံးပြုခြင်းကို လေ့လာခဲ့ပါသည်။ "insulator-on" structure ကြောင့် ခိုင်မာသော optical confinement နှင့်အတူ အလွန်ကောင်းမွန်သော χ(2) နှင့် χ(3) nonlinear ဂုဏ်သတ္တိများကို ပြသသည့် insulator (LNoI) တွင် lithium niobate ၏ အားသာချက်များသည် ultrafast modulators နှင့် integrated nonlinear photonics [1-3] အတွက် waveguide နည်းပညာတွင် သိသာထင်ရှားသော တိုးတက်မှုများကို ဦးတည်စေခဲ့သည်။ LN အပြင် lithium tantalate (LT) ကို nonlinear photonic ပစ္စည်းတစ်ခုအဖြစ်လည်း စုံစမ်းစစ်ဆေးခဲ့သည်။ LN နှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက LT တွင် optical damage threshold ပိုမိုမြင့်မားပြီး optical transparency window ပိုမိုကျယ်ပြန့်သည် [4, 5]၊ သို့သော် refractive index နှင့် nonlinear coefficients များကဲ့သို့သော optical parameters များသည် LN [6, 7] နှင့် ဆင်တူပါသည်။ ထို့ကြောင့် LToI သည် မြင့်မားသော optical power nonlinear photonic application များအတွက် နောက်ထပ်အားကောင်းသော candidate material တစ်ခုအဖြစ် ထင်ရှားပါသည်။ ထို့အပြင်၊ LToI သည် မြန်နှုန်းမြင့် mobile နှင့် wireless နည်းပညာများတွင် အသုံးချနိုင်သော surface acoustic wave (SAW) filter device များအတွက် အဓိကပစ္စည်းတစ်ခု ဖြစ်လာနေပါသည်။ ဤအခြေအနေတွင်၊ LToI wafers များသည် photonic application များအတွက် ပိုမိုအသုံးများသော ပစ္စည်းများ ဖြစ်လာနိုင်ပါသည်။ သို့သော်၊ ယနေ့အထိ၊ microdisk resonators [8] နှင့် electro-optic phase shifters [9] ကဲ့သို့သော LToI ကိုအခြေခံသည့် photonic device အနည်းငယ်ကိုသာ တင်ပြထားပါသည်။ ဤစာတမ်းတွင်၊ ကျွန်ုပ်တို့သည် low-loss LToI waveguide နှင့် ring resonator တွင် ၎င်း၏အသုံးချမှုကို တင်ပြထားပါသည်။ ထို့အပြင်၊ LToI waveguide ၏ χ(3) nonlinear ဝိသေသလက္ခဏာများကို ပေးပါသည်။
အဓိကအချက်များ-
• ပြည်တွင်းနည်းပညာနှင့် ရင့်ကျက်သောလုပ်ငန်းစဉ်များကို အသုံးပြု၍ 100 nm မှ 1500 nm အထိ အပေါ်ယံအထူရှိသော 4 လက်မမှ 6 လက်မ LToI ဝေဖာများ၊ thin-film lithium tantalate ဝေဖာများကို ပေးဆောင်ပါသည်။
• SINOI: ဆုံးရှုံးမှု အလွန်နည်းသော ဆီလီကွန် နိုက်ထရိုက် အလွှာပါး ဝေဖာများ။
• SICOI: ဆီလီကွန်ကာဗိုက်ဖိုတွန်ပေါင်းစပ်ဆားကစ်များအတွက် မြင့်မားသောသန့်စင်မှုရှိသော တစ်ဝက်လျှပ်ကာဆီလီကွန်ကာဗိုက်အလွှာပါးများ။
• LTOI: လီသီယမ် niobate၊ thin-film lithium tantalate wafers များနှင့် ခိုင်မာသောပြိုင်ဘက်။
• LNOI: ၈ လက်မ LNOI သည် အရွယ်အစားကြီးမားသော ပါးလွှာသော လီသီယမ် နိုင်အိုဘိတ် ထုတ်ကုန်များကို အစုလိုက်အပြုံလိုက် ထုတ်လုပ်မှုကို ပံ့ပိုးပေးသည်။
Insulator Waveguides များပေါ်တွင် ထုတ်လုပ်ခြင်းဤလေ့လာမှုတွင် ကျွန်ုပ်တို့သည် ၄ လက်မ LToI ဝေဖာများကို အသုံးပြုခဲ့သည်။ အပေါ်ဆုံး LT အလွှာသည် SAW ကိရိယာများအတွက် စီးပွားဖြစ် ၄၂ ဒီဂရီလှည့်ထားသော Y-cut LT အလွှာဖြစ်ပြီး smart cutting လုပ်ငန်းစဉ်ကို အသုံးပြု၍ 3 µm အထူ thermal oxide အလွှာပါ Si အလွှာနှင့် တိုက်ရိုက်ချိတ်ဆက်ထားသည်။ ပုံ ၁(က) တွင် အပေါ်ဆုံး LT အလွှာအထူ 200 nm ရှိသော LToI ဝေဖာ၏ အပေါ်စီးမြင်ကွင်းကို ပြသထားသည်။ အပေါ်ဆုံး LT အလွှာ၏ မျက်နှာပြင်ကြမ်းတမ်းမှုကို atomic force microscopy (AFM) ကို အသုံးပြု၍ အကဲဖြတ်ခဲ့သည်။
ပုံ ၁။(က) LToI wafer ၏ အပေါ်မှမြင်ကွင်း၊ (ခ) အပေါ်ဆုံး LT အလွှာ၏ မျက်နှာပြင်၏ AFM ပုံ၊ (ဂ) အပေါ်ဆုံး LT အလွှာ၏ မျက်နှာပြင်၏ PFM ပုံ၊ (ဃ) LToI waveguide ၏ Schematic cross-section၊ (င) တွက်ချက်ထားသော fundamental TE mode profile နှင့် (စ) SiO2 overlayer deposition မတိုင်မီ LToI waveguide core ၏ SEM ပုံ။ ပုံ ၁ (ခ) တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း၊ မျက်နှာပြင် roughness သည် 1 nm ထက်နည်းပြီး scratch lines များကို မတွေ့ရှိရပါ။ ထို့အပြင်၊ ပုံ ၁ (ဂ) တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း piezoelectric response force microscopy (PFM) ကို အသုံးပြု၍ အပေါ်ဆုံး LT အလွှာ၏ polarization state ကို စစ်ဆေးခဲ့သည်။ bonding လုပ်ငန်းစဉ်ပြီးနောက်တွင်ပင် uniform polarization ကို ထိန်းသိမ်းထားနိုင်ကြောင်း ကျွန်ုပ်တို့ အတည်ပြုခဲ့သည်။
ဤ LToI substrate ကို အသုံးပြု၍ ကျွန်ုပ်တို့သည် waveguide ကို အောက်ပါအတိုင်း ထုတ်လုပ်ခဲ့ပါသည်။ ဦးစွာ LT ၏ နောက်ဆက်တွဲ dry etching အတွက် metal mask layer ကို ထားခဲ့ပါသည်။ ထို့နောက် metal mask layer ၏ ထိပ်တွင် waveguide core pattern ကို သတ်မှတ်ရန် electron beam (EB) lithography ကို လုပ်ဆောင်ခဲ့ပါသည်။ ထို့နောက် dry etching မှတစ်ဆင့် metal mask layer သို့ EB resist pattern ကို လွှဲပြောင်းခဲ့ပါသည်။ ထို့နောက် electron cyclotron resonance (ECR) plasma etching ကို အသုံးပြု၍ LToI waveguide core ကို ဖွဲ့စည်းခဲ့ပါသည်။ နောက်ဆုံးတွင် metal mask layer ကို wet process မှတစ်ဆင့် ဖယ်ရှားခဲ့ပြီး plasma-enhanced chemical vapor deposition ကို အသုံးပြု၍ SiO2 overlayer ကို ထားခဲ့ပါသည်။ ပုံ ၁ (ဃ) တွင် LToI waveguide ၏ schematic cross-section ကို ပြသထားပါသည်။ စုစုပေါင်း core အမြင့်၊ plate အမြင့်နှင့် core အကျယ်တို့သည် အသီးသီး 200 nm၊ 100 nm နှင့် 1000 nm တို့ဖြစ်သည်။ optical fiber coupling အတွက် waveguide edge တွင် core အကျယ်သည် 3 µm အထိ ကျယ်ပြန့်လာသည်ကို သတိပြုပါ။
ပုံ ၁ (င) သည် 1550 nm တွင် fundamental transverse electric (TE) mode ၏ တွက်ချက်ထားသော optical intensity distribution ကို ပြသထားသည်။ ပုံ ၁ (စ) သည် SiO2 overlayer မတင်မီ LToI waveguide core ၏ scanning electron microscope (SEM) ပုံကို ပြသထားသည်။
လှိုင်းလမ်းညွှန် ဝိသေသလက္ခဏာများ:ကျွန်ုပ်တို့သည် 1550 nm wavelength amplified spontaneous emission source မှ TE-polarized light ကို wavelength တစ်ခုချင်းစီတွင် waveguide length နှင့် transmission အကြား ဆက်နွယ်မှု၏ slope မှ ဦးစွာ အကဲဖြတ်ခဲ့ပါသည်။ တိုင်းတာထားသော propagation loss များသည် Figure 2 (a) တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း 1530၊ 1550 နှင့် 1570 nm တွင် အသီးသီး 0.32၊ 0.28 နှင့် 0.26 dB/cm ရှိပါသည်။ ထုတ်လုပ်ထားသော LToI waveguides များသည် အဆင့်မြင့် LNoI waveguides များနှင့် နှိုင်းယှဉ်နိုင်သော low-loss စွမ်းဆောင်ရည်ကို ပြသခဲ့သည် [10]။
ထို့နောက်၊ ကျွန်ုပ်တို့သည် four-wave mixing လုပ်ငန်းစဉ်မှထုတ်လုပ်သော wavelength conversion မှတစ်ဆင့် χ(3) nonlinearity ကို အကဲဖြတ်ခဲ့ပါသည်။ ကျွန်ုပ်တို့သည် 1550.0 nm တွင် continuous wave pump light နှင့် 1550.6 nm တွင် signal light ကို 12 mm ရှည်လျားသော waveguide ထဲသို့ ထည့်သွင်းခဲ့ပါသည်။ Figure 2 (b) တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း၊ phase-conjugate (idler) light wave signal intensity သည် input power တိုးလာသည်နှင့်အမျှ တိုးလာပါသည်။ Figure 2 (b) ရှိ inset သည် four-wave mixing ၏ ပုံမှန် output spectrum ကိုပြသထားသည်။ input power နှင့် conversion efficiency အကြားဆက်နွယ်မှုမှ၊ nonlinear parameter (γ) ကို 11 W^-1m ခန့်ဟု ခန့်မှန်းခဲ့ပါသည်။
ပုံ ၃။(က) ပြုလုပ်ထားသော ring resonator ၏ အဏုကြည့်မှန်ပြောင်းပုံ။ (ခ) ကွဲပြားသော gap parameters များပါရှိသော ring resonator ၏ Transmission spectra။ (ဂ) 1000 nm gap ပါရှိသော ring resonator ၏ တိုင်းတာပြီး Lorentzian-fitted transmission spectrum။
ထို့နောက်၊ ကျွန်ုပ်တို့သည် LToI ring resonator ကို ထုတ်လုပ်ပြီး ၎င်း၏ ဝိသေသလက္ခဏာများကို အကဲဖြတ်ခဲ့သည်။ ပုံ ၃ (က) တွင် ထုတ်လုပ်ထားသော ring resonator ၏ optical microscope ပုံကို ပြသထားသည်။ ring resonator တွင် 100 µm အချင်းဝက်ရှိသော curved region နှင့် 100 µm အလျားရှိသော straight region တို့ပါဝင်သော "racetrack" configuration ပါရှိသည်။ ring နှင့် bus waveguide core အကြားရှိ gap width သည် 200 nm တိုးတိုးဖြင့် ကွဲပြားပြီး အထူးသဖြင့် 800၊ 1000 နှင့် 1200 nm တွင်ဖြစ်သည်။ ပုံ ၃ (ခ) တွင် gap တစ်ခုစီအတွက် transmission spectra များကို ပြသထားပြီး extinction ratio သည် gap အရွယ်အစားနှင့်အတူ ပြောင်းလဲသွားသည်ကို ညွှန်ပြသည်။ ဤ spectra များမှ 1000 nm gap သည် အမြင့်ဆုံး extinction ratio -26 dB ကို ပြသသောကြောင့် အရေးပါသော coupling condition များကို ပေးစွမ်းကြောင်း ကျွန်ုပ်တို့ ဆုံးဖြတ်ခဲ့သည်။
critically coupled resonator ကို အသုံးပြု၍ ကျွန်ုပ်တို့သည် linear transmission spectrum ကို Lorentzian curve နှင့် fitting လုပ်ခြင်းဖြင့် quality factor (Q factor) ကို ခန့်မှန်းခဲ့ပြီး Figure 3 (c) တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း internal Q factor 1.1 million ကိုရရှိခဲ့သည်။ ကျွန်ုပ်တို့သိသလောက် ဤသည်မှာ waveguide-coupled LToI ring resonator ၏ ပထမဆုံးသရုပ်ပြမှုဖြစ်သည်။ မှတ်သားစရာကောင်းသည်မှာ ကျွန်ုပ်တို့ရရှိခဲ့သော Q factor တန်ဖိုးသည် fiber-coupled LToI microdisk resonators များထက် သိသိသာသာမြင့်မားသည် [9]။
နိဂုံးချုပ်:ကျွန်ုပ်တို့သည် 1550 nm တွင် 0.28 dB/cm2 ဆုံးရှုံးမှုနှင့် ring resonator Q factor 1.1 million ရှိသော LToI waveguide ကို တီထွင်ခဲ့ပါသည်။ ရရှိလာသော စွမ်းဆောင်ရည်သည် အဆင့်မြင့် low-loss LNoI waveguides များ၏ စွမ်းဆောင်ရည်နှင့် နှိုင်းယှဉ်နိုင်ပါသည်။ ထို့အပြင်၊ on-chip nonlinear applications များအတွက် ထုတ်လုပ်ထားသော LToI waveguide ၏ χ(3) nonlinearity ကို ကျွန်ုပ်တို့ စုံစမ်းစစ်ဆေးခဲ့ပါသည်။
ပို့စ်တင်ချိန်: ၂၀၂၄ ခုနှစ်၊ နိုဝင်ဘာလ ၂၀ ရက်