麻省理工学院和新加坡理工大学科学家展示了一种由非晶态碳化硅制成的微型环形谐振器，该谐振器具有迄今为止最高的品质因数，该谐振器有望在1550纳米红外通信波长下作为芯片上的光子光源。普通日光通过一扇窗户时不会发生变化，这一过程被称为线性透射，但同样的光线通过棱镜时，会分裂成彩虹般的颜色。类似地，在光子器件中
来自激光的红外光可以以线性方式通过而不改变其“颜色”。但在高强度下，光可以表现出非线性行为，产生额外的颜色或波长。例如，与光子器件耦合的单个黄色激光器可以产生蓝色、绿色、黄色或橙色。麻省理工学院材料研究实验室研究科学家Anuradha M. Agarwal领导的研究人员制造了非晶态碳化硅环形谐振器，由副教授Dawn T.H. Tan领导的SUTD研究人员分析了该设备的线性和非线性特性。
能够在任何碳化硅衬底上显示出比以前测量到，非线性效应高一个数量级的效果。SUTD光子学设备和系统小组的负责人谭说：品质因数是衡量谐振器产生非线性效应的强度，质量因素越大，非线性效应越好，所以在这个案例中，质量因素非常好，实际上，这比我们预期的要好得多。阿加瓦尔、谭、麻省理工学院材料科学与工程研究生马丹豪以及其他三位来自新加坡和马来西亚的科学家在《ACS Photonics》上发表了这一研究发现。
谐振器的优势
需要高强度的光来触发光子器件非线性特性，这可以通过提高激光器的功率或使用环形谐振器等器件来实现。环的强度之所以如此之高，是因为它能在很长一段时间内捕获光子。越来越多的光子形成渐强，这就允许对非线性光学特性进行评估。就像光缆一样，非晶态碳化硅环形谐振器和用于传输红外光的直线波导被一层氧化硅所包围，从而最大限度地减少了可以逃逸的光量。不同材料的折射率决定了它们作为载流子层和保护层一起工作的好坏。
研究正试图在芯片上制造这种光纤波导，所以它就像一根光纤，但在芯片上，因此需要的是一个高折射率核心和一个低折射率包层，碳化硅和氧化硅的折射率相差很大，因此它们可以很好地一起工作，就像波导的核心和包层一样。研究人员采用等离子体增强化学(PECVD)工艺沉积碳化硅，在与互补金属氧化物半导体(CMOS)硅片加工相容的温度下，开发了一种耦合到直波导上的碳化硅环形谐振器的模式和蚀刻方法，实现了本研究的记录质量因子。
克服挑战
麻省理工学院的研究生马克服了几个处理方面挑战，制造出了高质量的谐振器。大约三年前，当Ma开始研究碳化硅材料来进行这项研究时，还没有现成的方法，来研究如何在沉积在二氧化硅衬底上的非晶态碳化硅材料上蚀刻图案。碳化硅是一种非常坚硬、物理和化学上都很硬的材料，所以，换句话说，它很难被去除或蚀刻。为了在氧化硅上沉积和蚀刻碳化硅波导，Ma首先利用电子束光刻技术对波导进行刻划，并采用反应离子干蚀刻技术去除过量的碳化硅。
但首次尝试使用一种典型的聚合物基掩模并没有成功，因为这种方法去除的掩模比碳化硅还要多。然后尝试了一种金属掩模，但晶界从掩模转移到碳化硅，在波导中留下粗糙的侧壁。粗糙度是不可取的，因为它增加了光子散射和光损耗。为了解决这一问题，Ma开发了一种基于二氧化硅掩膜的反应离子蚀刻技术。在研发过程中，马与麻省理工学院博士后杜庆阳以及麻省理工学院电子研究实验室纳米结构实验室助理主任马克·k·蒙多尔密切合作。
最终在这个反应中找到了正确的化学反应类型，控制了气体流动和等离子体，或者说控制了加工配方的细节。与二氧化硅相比，这种方法在蚀刻碳化硅方面是有选择性的，这使得我们能够塑造碳化硅光子器件，并拥有光滑的波导侧壁，光滑侧壁对于维持光子器件中的光信号至关重要。这些谐振腔光损耗主要来源是环形材料中光子的吸收和/或环形器件边缘粗糙度引起的光子散射。
研究处理产生了光滑的侧壁，这使得低损耗和高Q(质量)因数谐振器成为可能。这种碳化硅材料的美妙之处在于，本研究中使用的技术是，碳化硅的PECVD工艺是一种廉价工艺，是硅微电子行业的标准，研究重点是集成光子学材料设计和工程。利用现有微电子工艺，将使碳化硅更容易应用于集成光子和集成电子平台。使用的PECVD和反应性干离子蚀刻工艺不需要硅外延生长的晶格匹配和其他关键要求，而且与衬底无关。
更好的性能
谭教授多年来一直在研究氮化硅材料和其他CMOS材料的非线性特性。对于(非晶态)碳化硅，与超富硅氮化硅相比，作为谐振器铸造时的增强效果更好，而且它的非线性折射率也比化学计量氮化硅高，后者在非线性光学领域非常丰富。在这些器件中，通常存在两种光子吸收和三种光子吸收。在本研究中，损耗主要由三光子吸收控制，这是一个相对较弱的非线性损耗机制，而双光子吸收，这可能是一个问题，在许多晶体硅和非晶态硅材料，抑制。
阿加瓦尔的团队之前致力于在恶劣环境下使用碳化硅传感器。在目前的工作中，新加坡研究小组测量了环形谐振器中产生的额外波长——这种现象被称为光谱展宽，可以用一个叫做克尔非线性的术语来量化。研究人员发现，碳化硅薄膜的克尔非线性，几乎是之前报道晶体和非晶碳化硅薄膜的10倍。有了这种技术，可以看到光谱展宽效应，可以利用这种效应，因为现在不再只有一个频率，而是产生几个其他频率，这些频率可以提供一个超级连续光源。
激动人心的发展
澳大利亚斯文本理工大学微光子学中心主任、研究光子材料的fessor David J. Moss说：这篇论文为非晶态碳化硅提供了新的研究结果，它是非线性光学领域极有前途的cmos兼容平台，尤其是在重要的通信窗口。与晶体硅相当的高克尔非线性，以及可以忽略不计的双光子吸收，以及(碳化硅的)Q因子环谐振器的创纪录高，都是对1550纳米非线性光学平台的不断探索中令人兴奋的进展。
意大利米兰理工大学光子学设备小组的负责人安德里亚·梅罗尼副教授说：PECVD沉积的非晶态碳化硅(SiC)引起了人们极大的兴趣。折射率是非常吸引人的(2.45不是一个普通的值)，因为它足够高，可以大规模集成，但不像硅那么高，因此最小化了与SOI(绝缘体上硅)结构的超高折射率对比度相关问题。展望未来，Ma希望制造出更厚的碳化硅波导，用于更广泛的应用——例如，在单个波导中创造更多的波长(复用)。
作为合作研究的第一次展示，这是一个非常有前景的平台，如果能继续改进平台和设备设计，可能能够展示非常好的谐振器增强，因为已经展示了非常好的质量因素。如果想做像频率梳或光学参量振荡器这样的东西，如果质量因素很大，阈值功率就会小得多。如果这项工作可以联合资助，那么就可以考虑制造一种集成光源、传感器和探测器，因此在这方面有很多令人兴奋的下一步。
