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Anwendung des Hochspannungsverstärkers ATA-7020 bei der periodischen Polung von Dünnschicht-Lithiumniobat im Wafer-Maßstab

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Anwendung des Hochspannungsverstärkers ATA-7020 bei der periodischen Polung von Dünnschicht-Lithiumniobat im Wafer-Maßstab

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Name des Experiments：Wafer-Scale Periodic Poling of Thin-Film Lithium Niobate

Forschungsrichtung：Nichtlineare photonische integrierte Schaltungen (PICs)

Inhalt des Experiments：Zusammengesetzt aus kammartigen positiven Elektroden und flachen negativen Elektroden, wurde 70 nm dickes Cr plus Au auf dem Wafer strukturiert

600 nm dicken x-geschnittenen LNOI-Wafer mit Photolithographie strukturiert. Da sie für die Massenproduktion geeignet sind, wurden die Kamm-Breiten mit ihren entsprechenden

perioden variiert, und die Pads wurden innerhalb jedes Blocks nach Polarität gruppiert. Auf diese Weise kann die periodische Domänenstruktur auf dem gesamten Wafer hergestellt werden

durch Anlegen einer konsistenten Spannungswellenform mit so wenig Arbeitsschritten wie möglich hergestellt werden. Die hohe Qualität der Polung wurde durch die Charakterisierung mittels konfokaler

die hohe Qualität der Polung wurde durch die Charakterisierung mittels konfokaler Mikroskopie der zweiten Harmonischen bestätigt, die 50 % Tastverhältnis, ausreichende effektive Polungsflächen, dünne Domänenwände und das Schalten über die gesamte Schichtdicke zeigte,

und allgemeine Gleichförmigkeit entlang der z- und y-Achse. Das Ergebnis sind Umkehrlängen von 0,5 bis 10,17 mm auf dem Wafer und eine maximale Fläche von ~1 cm2

kann mit einer einzigen Manipulation mit Perioden von 4,38 bis 5,51 µm gepolt werden, was für potenzielle χ(2)-Anwendungen in Telekommunikationsbändern geeignet ist.

Bei der Vergrößerung auf den gesamten Wafer erzielten wir einheitliche und zuverlässige Polierergebnisse mit einer Erfolgsrate von 100 % und einer durchschnittlichen Qualitätsrate von 98 %

über alle 21 Blöcke. Dieser bahnbrechende Ansatz übertrifft nicht nur herkömmliche Proofs of Concept im Chipmaßstab, sondern ebnet auch den Weg für die Massenproduktion von

herstellung von PPLNOI-Bauteilen, was einen bedeutenden Schritt in Richtung industrielle Produktion darstellt. Unsere Methode, die für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist

nichtlinearen Prozessen für multifunktionale komplexe PICs anwendbar ist, stellt einen wesentlichen Fortschritt in diesem Bereich dar und bietet eine skalierbare und effiziente Lösung für das Problem der

herausforderungen, mit denen Forscher und Hersteller bisher gleichermaßen konfrontiert waren.

Prüfgeräte：ATA-7020 Hochspannungsverstärker, Wellenformgenerator, Oszilloskop.

Experimenteller Prozess：

Der Wafer mit der Elektrodenschicht wurde über ein Sondenpaar mit der in Abbildung 1a dargestellten Schaltung verbunden. Um einen Luftdurchbruch durch die hohe elektrische Feldstärke zu verhindern, wurde vor dem Polen eine dünne Schicht Silikonöl auf die Elektrodenoberfläche getropft. Der Spannungsverstärker (Aigtek ATA-7020) verstärkt den voreingestellten Impuls, der vom Arbitrary Waveform Generator (AWG) (Rigol DG4062) als Eingang der Schaltung erzeugt wird. Wir überwachten sowohl das verstärkte Pulssignal als auch den Polungsstrom als Rückkopplung in Echtzeit mit einem Oszilloskop (Tektronix TDS 2024C). Ein Hochspannungswiderstand und eine Diode wurden in der Schleife in Reihe geschaltet, um die Schaltung vor Hochstrom und Rückfluss zu schützen.

Periodische Polung von Dünnschicht-Lithiumniobat im Wafer-Maßstab

Abbildung 1: (a) Schematische Darstellung des Schaltkreisaufbaus für die elektrische Feldpolung von LNOI. (b) Ein typisches konfokales Mikroskopbild mit Elektrode und Domänenstrukturen, die mit einem typischen Satz von Polungsparametern gepolt wurden. Die Pfeile stellen die spontane Polarisation Ps in jeder Domäne dar. Die 2 µm

skalenbalken sind beschriftet.

Ergebnis des Experiments：Wir haben eine hochwertige periodische Polung entwickelt und gezeigt, die auf die PPLNOI-Plattform im Wafer-Maßstab zugeschnitten ist. Unter Ausnutzung der Prinzipien der ferroelektrischen Domänenschaltung haben wir die Form der Polierpulse und die Wiederholungszeiten für eine qualitativ hochwertige Polung optimiert, um 50 % Arbeitszyklen mit ausreichenden effektiven Polflächen, dünnen Domänenwänden, Inversion über die gesamte Filmdicke und allgemeine Gleichförmigkeit entlang der z- und y-Achse zu gewährleisten. Die Kammlinienbreiten werden sorgfältig angepasst, um mit den Polierperioden kompatibel zu sein, und Elektrodenpads innerhalb eines

elektrodenpads innerhalb eines Blocks, die ähnlichen Polungsintervalllängen entsprechen, sind strategisch gruppiert, um einen hohen Durchsatz und eine hochwertige Domänenumschaltung zu ermöglichen.

Durch sorgfältiges Elektrodendesign und Optimierung der Parameter reichen die Umkehrlängen von 0,5 bis 10,17 mm, und eine Fläche von maximal 1 cm2 kann in einem einzigen Arbeitsgang gepolt werden. Die daraus resultierende gleichmäßige und hochwertige Polungsleistung mit einem Periodenbereich von 4,38 bis 5,51 µm weist eine Erfolgsrate von 100 % und eine durchschnittliche Qualitätsrate von 98 % auf.

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