麻省理工學(xué)院和新加坡理工大學(xué)科學(xué)家展示了一種由非晶態(tài)碳化硅制成的微型環(huán)形諧振器，該諧振器具有迄今為止最高的品質(zhì)因數(shù)，該諧振器有望在1550納米紅外通信波長(zhǎng)下作為芯片上的光子光源。普通日光通過一扇窗戶時(shí)不會(huì)發(fā)生變化，這一過程被稱為線性透射，但同樣的光線通過棱鏡時(shí)，會(huì)分裂成彩虹般的顏色。類似地，在光子器件中來自激光的紅外光可以以線性方式通過而不改變其“顏色”。但在高強(qiáng)度下，光可以表現(xiàn)出非線性行為，產(chǎn)生額外的顏色或波長(zhǎng)。例如，與光子器件耦合的單個(gè)黃色激光器可以產(chǎn)生藍(lán)色、綠色、黃色或橙色。麻省理工學(xué)院材料研究實(shí)驗(yàn)室研究科學(xué)家Anuradha M. Agarwal領(lǐng)導(dǎo)的研究人員制造了非晶態(tài)碳化硅環(huán)形諧振器，由副教授Dawn T.H. Tan領(lǐng)導(dǎo)的SUTD研究人員分析了該設(shè)備的線性和非線性特性。
能夠在任何碳化硅襯底上顯示出比以前測(cè)量到，非線性效應(yīng)高一個(gè)數(shù)量級(jí)的效果。SUTD光子學(xué)設(shè)備和系統(tǒng)小組的負(fù)責(zé)人譚說：品質(zhì)因數(shù)是衡量諧振器產(chǎn)生非線性效應(yīng)的強(qiáng)度，質(zhì)量因素越大，非線性效應(yīng)越好，所以在這個(gè)案例中，質(zhì)量因素非常好，實(shí)際上，這比我們預(yù)期的要好得多。阿加瓦爾、譚、麻省理工學(xué)院材料科學(xué)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(xué)家在《ACS Photonics》上發(fā)表了這一研究發(fā)現(xiàn)。
需要高強(qiáng)度的光來觸發(fā)光子器件非線性特性，這可以通過提高激光器的功率或使用環(huán)形諧振器等器件來實(shí)現(xiàn)。環(huán)的強(qiáng)度之所以如此之高，是因?yàn)樗茉诤荛L(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)捕獲光子。越來越多的光子形成漸強(qiáng)，這就允許對(duì)非線性光學(xué)特性進(jìn)行評(píng)估。就像光纜一樣，非晶態(tài)碳化硅環(huán)形諧振器和用于傳輸紅外光的直線波導(dǎo)被一層氧化硅所包圍，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(hù)層一起工作的好壞。
研究正試圖在芯片上制造這種光纖波導(dǎo)，所以它就像一根光纖，但在芯片上，因此需要的是一個(gè)高折射率核心和一個(gè)低折射率包層，碳化硅和氧化硅的折射率相差很大，因此它們可以很好地一起工作，就像波導(dǎo)的核心和包層一樣。研究人員采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)(PECVD)工藝沉積碳化硅，在與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)硅片加工相容的溫度下，開發(fā)了一種耦合到直波導(dǎo)上的碳化硅環(huán)形諧振器的模式和蝕刻方法，實(shí)現(xiàn)了本研究的記錄質(zhì)量因子。
麻省理工學(xué)院的研究生馬克服了幾個(gè)處理方面挑戰(zhàn)，制造出了高質(zhì)量的諧振器。大約三年前，當(dāng)Ma開始研究碳化硅材料來進(jìn)行這項(xiàng)研究時(shí)，還沒有現(xiàn)成的方法，來研究如何在沉積在二氧化硅襯底上的非晶態(tài)碳化硅材料上蝕刻圖案。碳化硅是一種非常堅(jiān)硬、物理和化學(xué)上都很硬的材料，所以，換句話說，它很難被去除或蝕刻。為了在氧化硅上沉積和蝕刻碳化硅波導(dǎo)，Ma首先利用電子束光刻技術(shù)對(duì)波導(dǎo)進(jìn)行刻劃，并采用反應(yīng)離子干蝕刻技術(shù)去除過量的碳化硅。
但首次嘗試使用一種典型的聚合物基掩模并沒有成功，因?yàn)檫@種方法去除的掩模比碳化硅還要多。然后嘗試了一種金屬掩模，但晶界從掩模轉(zhuǎn)移到碳化硅，在波導(dǎo)中留下粗糙的側(cè)壁。粗糙度是不可取的，因?yàn)樗黾恿斯庾由⑸浜凸鈸p耗。為了解決這一問題，Ma開發(fā)了一種基于二氧化硅掩膜的反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)。在研發(fā)過程中，馬與麻省理工學(xué)院博士后杜慶陽以及麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室納米結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室助理主任馬克·k·蒙多爾密切合作。
最終在這個(gè)反應(yīng)中找到了正確的化學(xué)反應(yīng)類型，控制了氣體流動(dòng)和等離子體，或者說控制了加工配方的細(xì)節(jié)。與二氧化硅相比，這種方法在蝕刻碳化硅方面是有選擇性的，這使得我們能夠塑造碳化硅光子器件，并擁有光滑的波導(dǎo)側(cè)壁，光滑側(cè)壁對(duì)于維持光子器件中的光信號(hào)至關(guān)重要。這些諧振腔光損耗主要來源是環(huán)形材料中光子的吸收和/或環(huán)形器件邊緣粗糙度引起的光子散射。
研究處理產(chǎn)生了光滑的側(cè)壁，這使得低損耗和高Q(質(zhì)量)因數(shù)諧振器成為可能。這種碳化硅材料的美妙之處在于，本研究中使用的技術(shù)是，碳化硅的PECVD工藝是一種廉價(jià)工藝，是硅微電子行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，研究重點(diǎn)是集成光子學(xué)材料設(shè)計(jì)和工程。利用現(xiàn)有微電子工藝，將使碳化硅更容易應(yīng)用于集成光子和集成電子平臺(tái)。使用的PECVD和反應(yīng)性干離子蝕刻工藝不需要硅外延生長(zhǎng)的晶格匹配和其他關(guān)鍵要求，而且與襯底無關(guān)。
譚教授多年來一直在研究氮化硅材料和其他CMOS材料的非線性特性。對(duì)于(非晶態(tài))碳化硅，與超富硅氮化硅相比，作為諧振器鑄造時(shí)的增強(qiáng)效果更好，而且它的非線性折射率也比化學(xué)計(jì)量氮化硅高，后者在非線性光學(xué)領(lǐng)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(gè)相對(duì)較弱的非線性損耗機(jī)制，而雙光子吸收，這可能是一個(gè)問題，在許多晶體硅和非晶態(tài)硅材料，抑制。
阿加瓦爾的團(tuán)隊(duì)之前致力于在惡劣環(huán)境下使用碳化硅傳感器。在目前的工作中，新加坡研究小組測(cè)量了環(huán)形諧振器中產(chǎn)生的額外波長(zhǎng)——這種現(xiàn)象被稱為光譜展寬，可以用一個(gè)叫做克爾非線性的術(shù)語來量化。研究人員發(fā)現(xiàn)，碳化硅薄膜的克爾非線性，幾乎是之前報(bào)道晶體和非晶碳化硅薄膜的10倍。有了這種技術(shù)，可以看到光譜展寬效應(yīng)，可以利用這種效應(yīng)，因?yàn)楝F(xiàn)在不再只有一個(gè)頻率，而是產(chǎn)生幾個(gè)其他頻率，這些頻率可以提供一個(gè)超級(jí)連續(xù)光源。
澳大利亞斯文本理工大學(xué)微光子學(xué)中心主任、研究光子材料的fessor David J. Moss說：這篇論文為非晶態(tài)碳化硅提供了新的研究結(jié)果，它是非線性光學(xué)領(lǐng)域極有前途的cmos兼容平臺(tái)，尤其是在重要的通信窗口。與晶體硅相當(dāng)?shù)母呖藸柗蔷€性，以及可以忽略不計(jì)的雙光子吸收，以及(碳化硅的)Q因子環(huán)諧振器的創(chuàng)紀(jì)錄高，都是對(duì)1550納米非線性光學(xué)平臺(tái)的不斷探索中令人興奮的進(jìn)展。
意大利米蘭理工大學(xué)光子學(xué)設(shè)備小組的負(fù)責(zé)人安德里亞·梅羅尼副教授說：PECVD沉積的非晶態(tài)碳化硅(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(gè)普通的值)，因?yàn)樗銐蚋撸梢源笠?guī)模集成，但不像硅那么高，因此最小化了與SOI(絕緣體上硅)結(jié)構(gòu)的超高折射率對(duì)比度相關(guān)問題。展望未來，Ma希望制造出更厚的碳化硅波導(dǎo)，用于更廣泛的應(yīng)用——例如，在單個(gè)波導(dǎo)中創(chuàng)造更多的波長(zhǎng)(復(fù)用)。
作為合作研究的第一次展示，這是一個(gè)非常有前景的平臺(tái)，如果能繼續(xù)改進(jìn)平臺(tái)和設(shè)備設(shè)計(jì)，可能能夠展示非常好的諧振器增強(qiáng)，因?yàn)橐呀?jīng)展示了非常好的質(zhì)量因素。如果想做像頻率梳或光學(xué)參量振蕩器這樣的東西，如果質(zhì)量因素很大，閾值功率就會(huì)小得多。如果這項(xiàng)工作可以聯(lián)合資助，那么就可以考慮制造一種集成光源、傳感器和探測(cè)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(xué)院
參考期刊《ACS Photonics》
DOI: 10.1021/acsphotonics.8b01468
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