麻省理工學院和新加坡理工大學科學家展示了一種由非晶態碳化矽製成的微型環形諧振器，該諧振器具有迄今為止最高的品質因數，該諧振器有望在1550納米紅外通信波長下作為晶片上的光子光源。普通日光通過一扇窗戶時不會發生變化，這一過程被稱為線性透射，但同樣的光線通過稜鏡時，會分裂成彩虹般的顏色。類似地，在光子器件中
來自雷射的紅外光可以以線性方式通過而不改變其「顏色」。但在高強度下，光可以表現出非線性行為，產生額外的顏色或波長。例如，與光子器件耦合的單個黃色雷射器可以產生藍色、綠色、黃色或橙色。麻省理工學院材料研究實驗室研究科學家Anuradha M. Agarwal領導的研究人員製造了非晶態碳化矽環形諧振器，由副教授Dawn T.H. Tan領導的SUTD研究人員分析了該設備的線性和非線性特性。
能夠在任何碳化矽襯底上顯示出比以前測量到，非線性效應高一個數量級的效果。SUTD光子學設備和系統小組的負責人譚說：品質因數是衡量諧振器產生非線性效應的強度，質量因素越大，非線性效應越好，所以在這個案例中，質量因素非常好，實際上，這比我們預期的要好得多。阿加瓦爾、譚、麻省理工學院材料科學與工程研究生馬丹豪以及其他三位來自新加坡和馬來西亞的科學家在《ACS Photonics》上發表了這一研究發現。
諧振器的優勢
需要高強度的光來觸發光子器件非線性特性，這可以通過提高雷射器的功率或使用環形諧振器等器件來實現。環的強度之所以如此之高，是因為它能在很長一段時間內捕獲光子。越來越多的光子形成漸強，這就允許對非線性光學特性進行評估。就像光纜一樣，非晶態碳化矽環形諧振器和用於傳輸紅外光的直線波導被一層氧化矽所包圍，從而最大限度地減少了可以逃逸的光量。不同材料的折射率決定了它們作為載流子層和保護層一起工作的好壞。
研究正試圖在晶片上製造這種光纖波導，所以它就像一根光纖，但在晶片上，因此需要的是一個高折射率核心和一個低折射率包層，碳化矽和氧化矽的折射率相差很大，因此它們可以很好地一起工作，就像波導的核心和包層一樣。研究人員採用等離子體增強化學(PECVD)工藝沉積碳化矽，在與互補金屬氧化物半導體(CMOS)矽片加工相容的溫度下，開發了一種耦合到直波導上的碳化矽環形諧振器的模式和蝕刻方法，實現了本研究的記錄質量因子。
克服挑戰
麻省理工學院的研究生馬克服了幾個處理方面挑戰，製造出了高質量的諧振器。大約三年前，當Ma開始研究碳化矽材料來進行這項研究時，還沒有現成的方法，來研究如何在沉積在二氧化矽襯底上的非晶態碳化矽材料上蝕刻圖案。碳化矽是一種非常堅硬、物理和化學上都很硬的材料，所以，換句話說，它很難被去除或蝕刻。為了在氧化矽上沉積和蝕刻碳化矽波導，Ma首先利用電子束光刻技術對波導進行刻畫，並採用反應離子幹蝕刻技術去除過量的碳化矽。
但首次嘗試使用一種典型的聚合物基掩模並沒有成功，因為這種方法去除的掩模比碳化矽還要多。然後嘗試了一種金屬掩模，但晶界從掩模轉移到碳化矽，在波導中留下粗糙的側壁。粗糙度是不可取的，因為它增加了光子散射和光損耗。為了解決這一問題，Ma開發了一種基於二氧化矽掩膜的反應離子蝕刻技術。在研發過程中，馬與麻省理工學院博士後杜慶陽以及麻省理工學院電子研究實驗室納米結構實驗室助理主任馬克·k·蒙多爾密切合作。
最終在這個反應中找到了正確的化學反應類型，控制了氣體流動和等離子體，或者說控制了加工配方的細節。與二氧化矽相比，這種方法在蝕刻碳化矽方面是有選擇性的，這使得我們能夠塑造碳化矽光子器件，並擁有光滑的波導側壁，光滑側壁對於維持光子器件中的光信號至關重要。這些諧振腔光損耗主要來源是環形材料中光子的吸收和/或環形器件邊緣粗糙度引起的光子散射。
研究處理產生了光滑的側壁，這使得低損耗和高Q(質量)因數諧振器成為可能。這種碳化矽材料的美妙之處在於，本研究中使用的技術是，碳化矽的PECVD工藝是一種廉價工藝，是矽微電子行業的標準，研究重點是集成光子學材料設計和工程。利用現有微電子工藝，將使碳化矽更容易應用於集成光子和集成電子平臺。使用的PECVD和反應性幹離子蝕刻工藝不需要矽外延生長的晶格匹配和其他關鍵要求，而且與襯底無關。
更好的性能
譚教授多年來一直在研究氮化矽材料和其他CMOS材料的非線性特性。對於(非晶態)碳化矽，與超富矽氮化矽相比，作為諧振器鑄造時的增強效果更好，而且它的非線性折射率也比化學計量氮化矽高，後者在非線性光學領域非常豐富。在這些器件中，通常存在兩種光子吸收和三種光子吸收。在本研究中，損耗主要由三光子吸收控制，這是一個相對較弱的非線性損耗機制，而雙光子吸收，這可能是一個問題，在許多晶體矽和非晶態矽材料，抑制。
阿加瓦爾的團隊之前致力於在惡劣環境下使用碳化矽傳感器。在目前的工作中，新加坡研究小組測量了環形諧振器中產生的額外波長——這種現象被稱為光譜展寬，可以用一個叫做克爾非線性的術語來量化。研究人員發現，碳化矽薄膜的克爾非線性，幾乎是之前報導晶體和非晶碳化矽薄膜的10倍。有了這種技術，可以看到光譜展寬效應，可以利用這種效應，因為現在不再只有一個頻率，而是產生幾個其他頻率，這些頻率可以提供一個超級連續光源。
激動人心的發展
澳大利亞斯文本理工大學微光子學中心主任、研究光子材料的fessor David J. Moss說：這篇論文為非晶態碳化矽提供了新的研究結果，它是非線性光學領域極有前途的cmos兼容平臺，尤其是在重要的通信窗口。與晶體矽相當的高克爾非線性，以及可以忽略不計的雙光子吸收，以及(碳化矽的)Q因子環諧振器的創紀錄高，都是對1550納米非線性光學平臺的不斷探索中令人興奮的進展。
義大利米蘭理工大學光子學設備小組的負責人安德裡亞·梅羅尼副教授說：PECVD沉積的非晶態碳化矽(SiC)引起了人們極大的興趣。折射率是非常吸引人的(2.45不是一個普通的值)，因為它足夠高，可以大規模集成，但不像矽那麼高，因此最小化了與SOI(絕緣體上矽)結構的超高折射率對比度相關問題。展望未來，Ma希望製造出更厚的碳化矽波導，用於更廣泛的應用——例如，在單個波導中創造更多的波長(復用)。
作為合作研究的第一次展示，這是一個非常有前景的平臺，如果能繼續改進平臺和設備設計，可能能夠展示非常好的諧振器增強，因為已經展示了非常好的質量因素。如果想做像頻率梳或光學參量振蕩器這樣的東西，如果質量因素很大，閾值功率就會小得多。如果這項工作可以聯合資助，那麼就可以考慮製造一種集成光源、傳感器和探測器，因此在這方面有很多令人興奮的下一步。
博科園｜研究/來自：麻省理工學院
參考期刊《ACS Photonics》
DOI: 10.1021/acsphotonics.8b01468
博科園｜科學、科技、科研、科普