硅基碳化硅异质集成：新型光子平台

图片来源：Light: Science & Applications

撰稿  |  王成立  伊艾伦  欧欣（中科院上海微系统所）

01导读

继硅(Si) 、铌酸锂(LiNbO3) 、氮化硅(Si3N4) 之后，碳化硅(SiC)有望为光子学打开新的局面。SiC相比于传统的集成光子学材料，有着更加综合的优势，如低光学损耗、高折射率、高非线性系数、CMOS工艺兼容、高耐受功率、量子色心效应等，因此SiC近期在集成光学和量子光学领域备受关注。SiC光子学发展十余年以来，高质量的SiC薄膜制备及其光学损耗问题一直限制人们去发掘SiC在集成非线性、量子光学上的应用优势。

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣团队和华东师范大学程亚团队合作，验证了一种极低光学损耗的硅基碳化硅单晶薄膜(SiC-SiO2-Si，SiCOI)，并将该平台上所制备SiC微腔Q值提升到7.1×106，是目前已报道的SiC光子器件领域所取得的最高值。基于高Q微腔， 首次观测到SiC领域的三次谐波、四次谐波、受激拉曼、级联拉曼非线性过程，也验证了较低功率下(13 mW)克尔频梳的产生。

02

研究背景

集成光子学领域一直在寻找新材料平台，该平台需要与硅基CMOS工艺兼容，同时应具备低损耗、高折射、高非线性系数、高功率耐受性等特性。当前多种材料被发展，如铌酸锂(LiNbO3) 、磷化铟(InP) 、氮化硅(Si3N4) 、碳化硅(SiC) 等。表1对比了Si、LiNbO3、Si3N4和SiC的相关光子学性能，其中SiC几乎符合上述所有的光子学特性，因此SiC被认为是一个极具潜力的新型光子平台。

表1 集成光子学材料性能参数对比。

作为第三代半导体的代表性材料，SiC具有成熟的大尺寸晶圆材料基础，被广泛应用于LED、5G功率电子等领域。而在光子学领域的应用，SiC的潜力还未被完全挖掘。如作为一种高功率、宽透光窗口、高二阶和三阶非线性系数的材料，SiC在高效谐波频率转换和克尔光频梳还有待验证。在量子光学领域，碳化硅材料中具有符合DiVincenzo判据的色心光源，可以为制造量子通信系统、量子计算机提供物理原理和技术操控上可行的“飞行量子比特”，将SiC中的色心与光子器件集成也是SiC所具有的独特优势。

任何光子学平台的应用首要考虑的是光学损耗问题。SiC光子学发展十余年以来，大量的工作在异质外延生长等方法制备的非晶SiC薄膜上展开，由于该类制备方法无法得到高质量的单晶SiC薄膜，器件的Q值局限在106以下。如何进一步降低SiC薄膜的光学损耗成为人们去发掘SiC在集成光子应用优势的首要问题。

03

创新研究

为此，研究团队采用晶圆键合和减薄的异质集成方法，将高纯SiC晶圆衬底与氧化硅衬底高强度键合，并进行精密减薄。如图1(a) -(d) 所示，所制备的SiC薄膜在10*12 mm的片上厚度偏差为800±80 nm，足够为集成光子学器件制备提供平台。

图1 材料平台和微腔制备。(a) SiCOI制备流程。(b) 晶圆级SiCOI及其(c) 厚度均匀性。(d)均匀度良好的小片SiCOI。(e) 微腔制备流程。(f)-(h) 微腔形貌展示。

为了验证所制备的SiCOI的光学品质，研究团队通过飞秒激光光刻和抛光的方法制备了微盘谐振腔，谐振腔的本征Q值最高可达7.1×106。如图2所示，通过对多个微腔中数十个横电模Q值的统计，可以得到微腔的Q值众数为6.75×106。该值是SiC领域所取得的最高值。高Q的微腔为发掘SiC在非线性光学领域的特性提供了重要的前提。

图2 TE模式的Q值测试结果。

对于SiC在克尔频梳上的应用，评估其拉曼强度和光折变效应是非常有必要的。拉曼散射常常与用于克尔频梳产生的泵浦能量进行竞争，并且不利于孤子锁模过程。而光折变效应则使得微腔在较高功率下形成光损伤。作为一种同样拥有高二阶、三阶非线性系数的材料，铌酸锂在非线性上的进一步应用就深受拉曼效应和光折变效应的困扰。为此，研究团队对铌酸锂和碳化硅的拉曼强度进行了定量的对比，如图3(a)-(b) 所示，发现碳化硅的拉曼强度远低于铌酸锂。在光折边效应方面，对高Q腔测试了其谐振峰位与输入微瓦级功率的关系，如图3(d)-(e)。其谐振峰位与输入微瓦级功率的关系主要来源与热光频移，说明SiC微腔中光折变效应十分微弱。就拉曼强度和光折变效应而言，SiC较铌酸锂相比具有更好的性能。

图3 (a)-(c) 4H-SiC、LN和氧化硅的拉曼强度对比。(d)、(e) SiC微腔的功率-频移关系。

研究团队在高Q微腔观测到了丰富的非线性效应。图4展示了泵浦光在C波段附近扫频时，CCD所记录的谐波产生现象，微腔中发射出色彩斑斓的亮光。亮光在光谱表现为特定波长的发光峰，来源于碳化硅的二阶、三阶非线性过程。根据谐波生成的能量守恒原则，对比光谱可知，图4中红光、绿光和紫光的产生来源于二次谐波、三次谐波和四次谐波现象。

图4 高Q值SiC微腔的谐波现象。

SiC微腔中受激拉曼散射及其级联现象也被首次测量。图5(a) 显示了级联拉曼激光的产生过程，图5(b)-(c) 对一阶拉曼激光和二阶拉曼激光的功率与泵浦光功率的关系进行了表征，图中可以得到拉曼激光的阈值和典型的级联拉曼能量转变特征。

图5 高Q值SiC微腔的受激拉曼激光产生。

微腔光频梳是非线性光学的研究热点，有望在相干通信、光钟和激光雷达等领域发挥革命性作用。过去10余年，多种平台已经实现孤子频梳的产生。碳化硅作为一种新型的光子材料，其在频梳方面的验证尚未完成。研究团队通过对高Q微腔和厚度和半径进行调整，使得微腔中横磁模式处于反常色散。通过泵浦光的调谐，成功的实现在400 nm宽谱克尔频率梳的产生。图6展示了光梳从四波混频、级联参量振荡到宽屏光梳产生的过程。色散可调控的高Q微腔为实现SiC中频梳的孤子锁模提供了良好的基础。

图6 高Q值SiC微腔的宽谱克尔频梳产生。

04

应用与展望

SiC材料是一个极具魅力的光子学平台，如LNOI光子学的发展一样，实现高性能SiC光子器件需要高质量的SiCOI材料做为基础。研究团队所验证的SiC高Q值微腔及其材料平台，为SiC在高效频率转换、孤子产生等应用方面奠定了重要的基础。本项工作中所展示的宽谱频梳尚处于高噪声状态，后续将进一步研究SiC微腔中孤子产生的机制。高质量SiCOI晶圆有望成为继SOI、LNOI后的新一代具有综合优势的高性能集成光子器件材料平台。

文章信息：

该研究成果以”High-Q Microresonators on 4H-silicon-carbide-on-insulator Platform for Nonlinear Photonics”为题在线发表在Light: Science & Applications。

本文共同第一作者分别为中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣研究员指导的博士生王成立和伊艾伦，及华东师范大学方致伟副教授。张加祥研究员、程亚教授、欧欣研究员为论文共同通讯作者。

论文全文下载地址：

https://www.nature.com/articles/s41377-021-00584-9

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