စိတ္တဇ-ကျွန်ုပ်တို့သည် 0.28 dB/cm ဆုံးရှုံးမှုနှင့် 1.1 သန်း ring resonator quality factor ဖြင့် 1550 nm insulator-based lithium tantalate waveguide ကို တီထွင်ထားပါသည်။ nonlinear photonics တွင် χ(3) nonlinearity ကို လေ့လာပြီးပါပြီ။ အလွန်ကောင်းမွန်သော χ(2) နှင့် χ(3) nonlinear ဂုဏ်သတ္တိများပြသထားသည့် lithium niobate on insulator (LNoI) ၏ အားသာချက်များသည် ၎င်း၏ "insulator-on" တည်ဆောက်ပုံကြောင့် ပြင်းထန်သော optical confinement နှင့်အတူ၊ သည် ultrafast အတွက် waveguide နည်းပညာတွင် သိသာထင်ရှားသော တိုးတက်မှုများကို ဖြစ်ပေါ်စေခဲ့သည်။ modulators များနှင့် ပေါင်းစပ်ထားသော nonlinear photonics [1-3]။ LN အပြင်၊ လီသီယမ် တန်တာလိတ် (LT) ကိုလည်း လိုင်းမဆန်သော ပုံသဏ္ဍာန်ပစ္စည်းအဖြစ် စူးစမ်းလေ့လာခဲ့သည်။ LN နှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက၊ LT သည် ပိုမိုမြင့်မားသော optical damage အတိုင်းအတာနှင့် ပိုမိုကျယ်ပြန့်သော optical transparency window [4, 5] ရှိပြီး၊ ၎င်း၏ optical parameters များဖြစ်သည့် refractive index နှင့် nonlinear coefficients များသည် LN [6, 7] နှင့် ဆင်တူပါသည်။ ထို့ကြောင့် LToI သည် မြင့်မားသော optical power nonlinear photonic အပလီကေးရှင်းများအတွက် နောက်ထပ် အားကောင်းသော ကိုယ်စားလှယ်လောင်းပစ္စည်းအဖြစ် ထင်ရှားသည်။ ထို့အပြင် LToI သည် မြန်နှုန်းမြင့် မိုဘိုင်းနှင့် ကြိုးမဲ့နည်းပညာများတွင် အသုံးပြုနိုင်သော မျက်နှာပြင် အသံအသံလှိုင်း (SAW) စစ်ထုတ်ကိရိယာများအတွက် အဓိကပစ္စည်းဖြစ်လာပါသည်။ ဤအခြေအနေတွင်၊ LToI wafers များသည် photonic applications များအတွက် ပို၍ အသုံးများသောပစ္စည်းများ ဖြစ်လာနိုင်သည်။ သို့သော် ယနေ့အထိ၊ LToI ပေါ်တွင် အခြေခံသော ပုံသဏ္ဍာန် ကိရိယာ အနည်းငယ်မျှသာ ဖြစ်သည့် microdisk resonators [8] နှင့် electro-optic phase shifters [9] များ ရှိသည်။ ဤစာတမ်းတွင်၊ ကျွန်ုပ်တို့သည် အရှုံးနည်းသော LToI လှိုင်းလမ်းညွှန်နှင့် ၎င်း၏အပလီကေးရှင်းကို မြည်သံပြန်ကြားစက်ဖြင့် တင်ပြပါသည်။ ထို့အပြင်၊ ကျွန်ုပ်တို့သည် LToI waveguide ၏ χ(3) nonlinear လက္ခဏာများကို ပေးပါသည်။
အဓိကအချက်များ-
• ပြည်တွင်းနည်းပညာနှင့် ရင့်ကျက်သောလုပ်ငန်းစဉ်များကို အသုံးပြု၍ ထိပ်အလွှာအထူများဖြစ်သော 4-လက်မမှ 6 လက်မ LToI wafers၊ ပါးလွှာသောဖလင် lithium tantalate wafers များကို ပေးဆောင်သည်။
• SINOI- ဆုံးရှုံးမှုအလွန်နည်းသော ဆီလီကွန်နိုက်ထရိတ်ပါးလွှာသော ဖလင်ပြားများ။
• SICOI- ဆီလီကွန်ကာဗိုက်ဖိုနစ်ပေါင်းစပ်ဆားကစ်များအတွက် သန့်ရှင်းစင်ကြယ်သော ဆီလီကွန်ကာဗိုက်ပါးလွှာသောဖလင်အလွှာ။
• LTOI- lithium niobate၊ ပါးလွှာသောဖလင် lithium tantalate wafers များအတွက် အားကြီးသောပြိုင်ဘက်။
• LNOI- 8 လက်မအရွယ် LNOI သည် ပိုကြီးသော ပါးလွှာသော ဖလင် လီသီယမ် နီအိုဘိတ် ထုတ်ကုန်များ ထုတ်လုပ်မှုကို ပံ့ပိုးပေးသည်။
Insulator Waveguides တွင် ထုတ်လုပ်ခြင်းဤလေ့လာမှုတွင် ကျွန်ုပ်တို့သည် 4 လက်မ LToI wafers ကိုအသုံးပြုခဲ့သည်။ ထိပ်တန်း LT အလွှာသည် SAW စက်ပစ္စည်းများအတွက် စီးပွားဖြစ် 42° လှည့်ပတ်ထားသော Y-ဖြတ် LT အလွှာဖြစ်ပြီး၊ 3 µm အထူအပူအောက်ဆိုဒ်အလွှာပါသော Si substrate နှင့် တိုက်ရိုက်ချိတ်ဆက်ထားသည့် စမတ်ဖြတ်တောက်ခြင်းလုပ်ငန်းစဉ်ကို အသုံးပြုသည်။ ပုံ 1(a) သည် ထိပ်တန်း LT အလွှာအထူ 200 nm ရှိသော LToI wafer ၏ အပေါ်ဆုံးမြင်ကွင်းကို ပြသထားသည်။ atomic force microscopy (AFM) ကို အသုံးပြု၍ ထိပ်တန်း LT အလွှာ၏ မျက်နှာပြင်ကြမ်းတမ်းမှုကို ကျွန်ုပ်တို့ အကဲဖြတ်ခဲ့ပါသည်။
ပုံ ၁။(က) LToI wafer ၏ ထိပ်တန်းမြင်ကွင်း၊ (ခ) ထိပ်တန်း LT အလွှာ၏ မျက်နှာပြင်၏ AFM ရုပ်ပုံ၊ (ဂ) ထိပ်တန်း LT အလွှာ၏ မျက်နှာပြင်၏ PFM ရုပ်ပုံ၊ (ဃ) LToI လှိုင်းလမ်းညွှန်၏ ဇယားကွက်ဖြတ်ပိုင်း၊ (င) အခြေခံ TE မုဒ်ပရိုဖိုင်ကို တွက်ချက်ပြီး (စ) SiO2 ထပ်ဆင့် အစစ်ခံခြင်း မပြုမီ LToI waveguide core ၏ SEM ပုံ။ ပုံ 1 (ခ) တွင် ပြထားသည့်အတိုင်း မျက်နှာပြင် ကြမ်းတမ်းမှုသည် 1 nm ထက်နည်းပြီး ခြစ်ရာမျဉ်းများကို မတွေ့ရှိရပါ။ ထို့အပြင်၊ ပုံ 1 (ဂ) တွင်ဖော်ပြထားသည့်အတိုင်း piezoelectric response force microscopy (PFM) ကို အသုံးပြု၍ ထိပ်တန်း LT အလွှာ၏ polarization အခြေအနေအား စစ်ဆေးခဲ့ပါသည်။ ချည်နှောင်ခြင်းလုပ်ငန်းစဉ်ပြီးနောက်တွင်ပင် ယူနီဖောင်း polarization ကို ထိန်းသိမ်းထားကြောင်း ကျွန်ုပ်တို့ အတည်ပြုပါသည်။
ဤ LToI အလွှာကို အသုံးပြု၍ ကျွန်ုပ်တို့သည် အောက်ပါအတိုင်း လှိုင်းလမ်းညွှန်ကို ဖန်တီးခဲ့သည်။ ပထမဦးစွာ LT ၏နောက်ဆက်တွဲခြောက်သွေ့သော etching အတွက် သတ္တုမျက်နှာဖုံးအလွှာကို အပ်နှံခဲ့သည်။ ထို့နောက် သတ္တုမျက်နှာဖုံးအလွှာ၏ အပေါ်ဘက်ရှိ waveguide core ပုံစံကို သတ်မှတ်ရန်အတွက် electron beam (EB) lithography ကို လုပ်ဆောင်ခဲ့သည်။ ထို့နောက် EB resistance ပုံစံကို သတ္တုမျက်နှာဖုံးအလွှာသို့ အခြောက်လှန်းခြင်းမှတစ်ဆင့် လွှဲပြောင်းပေးပါသည်။ ထို့နောက်တွင်၊ LToI waveguide core ကို electron cyclotron resonance (ECR) plasma etching ဖြင့် ဖွဲ့စည်းခဲ့သည်။ နောက်ဆုံးတွင်၊ သတ္တုမျက်နှာဖုံးအလွှာကို စိုစွတ်သောလုပ်ငန်းစဉ်ဖြင့် ဖယ်ရှားခဲ့ပြီး၊ SiO2 အလွှာကို ပလာစမာ-အဆင့်မြှင့်ထားသော ဓာတုအငွေ့များ စုဆောင်းခြင်းကို အသုံးပြု၍ အပ်နှံခဲ့သည်။ ပုံ 1 (ဃ) သည် LToI လှိုင်းလမ်းညွှန်၏ ဇယားကွက်ဖြတ်ပိုင်းကို ပြသည်။ စုစုပေါင်း core အမြင့်၊ plate height နှင့် core width သည် 200 nm၊ 100 nm နှင့် 1000 nm အသီးသီးရှိသည်။ optical fiber coupling အတွက် waveguide edge တွင် core width သည် 3 µm အထိ တိုးလာကြောင်း သတိပြုပါ။
ပုံ 1 (င) သည် 1550 nm တွင် အခြေခံအကူးအပြောင်းလျှပ်စစ် (TE) မုဒ်၏ တွက်ချက်ထားသော optical intensity ဖြန့်ဖြူးမှုကို ပြသသည်။ ပုံ 1 (စ) သည် SiO2 ထပ်ဆင့်လွှာ၏ အစစ်မခံမီ LToI waveguide core ၏ စကင်န်ဖတ် အီလက်ထရွန် အဏုစကုပ် (SEM) ရုပ်ပုံကို ပြသည်။
Waveguide လက္ခဏာများကျွန်ုပ်တို့သည် 1550 nm လှိုင်းအလျားကို ချဲ့ထွင်ထားသော အလိုအလျောက်ထုတ်လွှတ်မှုအရင်းအမြစ်မှ TE-polarized အလင်းကို အလျားအမျိုးမျိုးရှိသော LToI လှိုင်းလမ်းညွှန်များထဲသို့ ထည့်သွင်းခြင်းဖြင့် မျဉ်းကြောင်းဆုံးရှုံးမှုလက္ခဏာများကို ဦးစွာအကဲဖြတ်ပါသည်။ လှိုင်းအလျားနှင့် လှိုင်းအလျားတစ်ခုစီရှိ လှိုင်းအလျားနှင့် ထုတ်လွှင့်မှုကြား ဆက်နွယ်မှု၏ လျှောစောက်မှ ပြန့်ပွားမှုဆုံးရှုံးမှုကို ရရှိသည်။ တိုင်းတာထားသော မျိုးပွားမှုဆုံးရှုံးမှုသည် 0.32၊ 0.28 နှင့် 0.26 dB/cm တွင် 1530၊ 1550 နှင့် 1570 nm အသီးသီးရှိကြောင်း၊ ပုံ 2 (က) တွင်ပြထားသည့်အတိုင်းဖြစ်သည်။ ဖန်တီးထားသော LToI လှိုင်းလမ်းညွှန်များသည် ခေတ်မီသော LNoI waveguides [10] နှင့် နှိုင်းယှဉ်နိုင်သော ဆုံးရှုံးမှုနည်းပါးသော စွမ်းဆောင်ရည်ကို ပြသထားသည်။
ထို့နောက်၊ ကျွန်ုပ်တို့သည် လှိုင်းအလျားပြောင်းခြင်းမှတစ်ဆင့် χ(3) nonlinearity ကို အကဲဖြတ်သည် ။ ကျွန်ုပ်တို့သည် 1550.0 nm တွင် စဉ်ဆက်မပြတ် လှိုင်းစုပ်အလင်းတစ်ခုနှင့် 1550.6 nm တွင် အချက်ပြမီးကို 12 မီလီမီတာ အရှည်ရှိသော waveguide ထဲသို့ ထည့်သွင်းပါသည်။ ပုံ 2 (b တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း) phase-conjugate (idler) light wave signal intensity သည် input power တိုးလာသည်နှင့်အမျှ တိုးလာသည်။ ပုံ 2 (ခ) တွင် ထည့်သွင်းမှုသည် လှိုင်းလေးခုရောစပ်ခြင်း၏ ပုံမှန်အထွက်ရောင်စဉ်ကို ပြသသည်။ input power နှင့် conversion efficiency အကြား ဆက်နွယ်မှုမှ၊ nonlinear parameter (γ) သည် ခန့်မှန်းခြေ 11 W^-1m ဖြစ်မည်ဟု ခန့်မှန်းပါသည်။
ပုံ ၃။(က) ဖန်တီးထားသော လက်စွပ် ပဲ့တင်သံ၏ အဏုစကုပ်ပုံ။ (ခ) အမျိုးမျိုးသောကွာဟချက်ဘောင်များပါရှိသော လက်စွပ် resonator ၏ ဂီယာရောင်စဉ်။ (ဂ) 1000 nm ကွာဟသော လက်စွပ် resonator ၏ တိုင်းတာပြီး Lorentzian တပ်ဆင်ထားသော ဂီယာရောင်စဉ်။
ထို့နောက် ကျွန်ုပ်တို့သည် LToI ring resonator တစ်ခုကို ဖန်တီးပြီး ၎င်း၏လက္ခဏာများကို အကဲဖြတ်ပါသည်။ ပုံ 3 (က) သည် fabricated ring resonator ၏ optical microscope ကိုပြသထားသည်။ လက်စွပ် resonator တွင် အချင်းဝက် 100 µm နှင့် အလျား 100 µm တည့်တည့်ရှိသော မျဉ်းကွေးဒေသတစ်ခု ပါဝင်သည့် "ပြိုင်ကွင်း" ဖွဲ့စည်းမှုပုံစံကို ပါရှိသည်။ ring နှင့် bus waveguide core ကြားရှိ ကွာဟချက်သည် 200 nm၊ အထူးသဖြင့် 800၊ 1000 နှင့် 1200 nm တွင် တိုး၍ကွဲပြားသည်။ ပုံ 3 (ခ) သည် ကွာဟချက်တစ်ခုစီအတွက် ထုတ်လွှင့်မှုရောင်စဉ်ကို ပြသထားပြီး မျိုးသုဉ်းခြင်းအချိုးသည် ကွာဟချက်အရွယ်အစားနှင့် ပြောင်းလဲသွားကြောင်း ဖော်ပြသည်။ ဤ Spectra မှ၊ 1000 nm ကွာဟမှုသည် -26 dB ၏ အမြင့်ဆုံးမျိုးသုဉ်းခြင်းအချိုးကိုပြသထားသောကြောင့် အရေးကြီးသောအချိတ်အဆက်အဆက်အစပ်အခြေအနေများကို ပေးဆောင်သည်ဟု ကျွန်ုပ်တို့ဆုံးဖြတ်ခဲ့သည်။
ပြင်းထန်စွာတွဲထားသော ပဲ့တင်သံကို အသုံးပြု၍ ပုံ 3 (ဂ) တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း Linear transmission spectrum ကို Lorentzian မျဉ်းကွေးဖြင့် တပ်ဆင်ခြင်းဖြင့် အရည်အသွေးအချက် (Q factor) ကို ခန့်မှန်းတွက်ချက်ပါသည်။ ကျွန်ုပ်တို့၏အသိပညာအတွက်၊ ဤသည်မှာ waveguide-coupled LToI ring resonator ၏ပထမဆုံးသရုပ်ပြမှုဖြစ်သည်။ ထူးခြားသည်မှာ၊ ကျွန်ုပ်တို့ရရှိသော Q factor တန်ဖိုးသည် fiber-coupled LToI microdisk resonators [9] ထက် သိသိသာသာမြင့်မားပါသည်။
နိဂုံး-ကျွန်ုပ်တို့သည် 1550 nm တွင် 0.28 dB/cm ဆုံးရှုံးမှုရှိသော LToI waveguide နှင့် ring resonator Q factor 1.1 သန်းရှိသည်။ ရရှိသောစွမ်းဆောင်ရည်သည် ခေတ်မီသော ဆုံးရှုံးမှုနည်းပါးသော LNoI လှိုင်းလမ်းညွှန်များနှင့် နှိုင်းယှဉ်နိုင်သည်။ ထို့အပြင်၊ ကျွန်ုပ်တို့သည် on-chip nonlinear applications များအတွက် ထုတ်လုပ်ထားသော LToI waveguide ၏ χ(3) nonlinearity ကို စုံစမ်းစစ်ဆေးပါသည်။
ပို့စ်အချိန်- Nov-20-2024