Mikroringresonator har den hidtil højeste siliciumcarbidkvalitetsfaktor

Forskere ved MIT og Singapore University of Technology (SUTD) har demonstreret en mikroringresonator fremstillet af amorft siliciumcarbid med den højeste kvalitetsfaktor til dato. Resonatoren viser løfte om at blive brugt som en on-chip fotonisk lyskilde ved den infrarøde telekommunikationsbølgelængde på 1, 550 nanometer.

Almindeligt dagslys passerer uforandret gennem et vindue, i en proces kaldet lineær transmission, men det samme lys, der passerer gennem et prisme, vil dele sig i en regnbue af farver. På samme måde i fotoniske enheder, infrarødt lys fra en laser kan passere lineært uden at ændre dens "farve, "men ved høj intensitet, lyset kan udvise ikke -lineær adfærd, generere yderligere farver, eller bølgelængder. For eksempel, en enkelt gul laser koblet til en fotonisk enhed kan generere blå, grøn, gul, eller orange farver.

Forskere ledet af MIT Materials Research Laboratory Forskningsforsker Anuradha M. Agarwal fremstillede de amorfe siliciumcarbidringresonatorer, og forskere på SUTD ledet af lektor Dawn T.H. Tan analyserede enhedens lineære og ikke -lineære egenskaber.

"Vi er i stand til at vise en størrelsesorden højere ikke -lineær effekt end målt før i nogen af ​​siliciumcarbidsubstraterne, "Siger Agarwal.

Kvalitetsfaktor er et mål for, hvor stærkt resonatoren frembringer ikke -lineære effekter. "Jo større kvalitetsfaktor, jo bedre den ikke -lineære effekt, "siger Tan, der leder Photonics Devices and Systems Group hos SUTD. "Så i dette tilfælde, kvalitetsfaktoren var ret god. Det var faktisk meget bedre, end vi havde forventet. "

Resultaterne er beskrevet i et papir, fremhævet på forsiden af ​​ACS Photonics, af Agarwal, Tan, MIT materialevidenskab og ingeniørstuderende Danhao Ma, og tre andre i Singapore og Malaysia.

Resonator fordel

Høj lysintensitet er nødvendig for at udløse ikke -lineære egenskaber for fotoniske enheder, som kan opnås enten ved at øge laserens effekt eller ved at bruge en enhed, såsom en ringresonator. "En ring muliggør den høje intensitet, fordi den fanger fotonerne i lang tid, "Forklarer Agarwal." Flere og flere fotoner bygger op som et crescendo, og det giver mulighed for vurdering af ikke -lineære optiske egenskaber. "

Som et fiberoptisk kabel, som transmitterer lys ved at indpakke et materiale, der bærer lyset inde i et andet materiale, der ikke tillader lyset at passere igennem det, den amorfe siliciumcarbidringresonator og lige bølgeleder til at bære det infrarøde lys er omgivet af et lag siliciumoxid, der minimerer mængden af ​​lys, der kan slippe ud. Brydningsindekserne for forskellige materialer bestemmer, hvor godt de fungerer sammen som bærelaget og det ydre beskyttende lag.

"Vi forsøger at skabe denne form for en fiberoptisk bølgeleder på chip, "Agarwal forklarer." Så det er som en fiber, men på en chip, og derfor er det, vi har brug for, en kerne med et højt (brydnings) indeks og en beklædning med et lavt indeks. "Siliciumcarbid og siliciumoxid har en stor nok forskel i deres brydningsindeks, at de fungerer godt sammen som kernen og beklædningen til en bølgeleder.

Forskerne opnåede rekordkvalitetsfaktoren i denne undersøgelse ved hjælp af plasma -forbedret kemisk (PECVD) proces til at deponere siliciumcarbid, ved en temperatur, der er kompatibel med komplementær metaloxidhalvleder (CMOS) siliciumchip-behandling, og udvikle en metode til at mønstre og ætse siliciumcarbidringresonatoren, som er koblet til en lige bølgeleder.

At overvinde udfordringer

MIT-kandidatstuderende Ma overvandt flere behandlingsudfordringer for at lave resonatoren af ​​høj kvalitet. Da Ma begyndte at arbejde med siliciumcarbidmaterialer til denne undersøgelse for cirka tre år siden, der var ingen eksisterende opskrift på, hvordan man ætser et mønster i det amorfe siliciumcarbidmateriale, når det aflejres på et siliciumdioxid -substrat. "Siliciumcarbid er et meget stift og fysisk og kemisk hårdt materiale, så, med andre ord, det er meget svært for det at blive fjernet eller ætset, "Siger mor.

For at deponere og ætse siliciumcarbidbølgelederen på siliciumoxid, Ma brugte først elektronstråle litografi til at mønstre bølgeledere og reaktiv ion tør ætsning for at fjerne overskydende siliciumcarbid. Men hans første forsøg med at bruge en typisk polymerbaseret maske virkede ikke, fordi processen fjernede mere af masken end siliciumcarbidet. Ma prøvede derefter en metalmaske, men korngrænser fra masken overført til siliciumcarbid, efterlader ru sidevægge i bølgelederne. Grovhed er uønsket, fordi det øger foton -spredning og tab af lys. For at løse problemet, Ma udviklede en teknik ved hjælp af en siliciumdioxidbaseret maske til den reaktive ionetsning. Under procesudviklingen, Ma arbejdede tæt sammen med Qingyang Du, en MIT postdoc, og Mark K. Mondol, assisterende direktør for NanoStructures Laboratory i MIT Research Laboratory of Electronics.

"Vi fandt frem til den rigtige type kemi i denne reaktion og kontrollerede gasstrømmene og plasmaet, eller, med andre ord, detaljerne i behandlingsopskriften, "Ma siger." Denne opskrift er virkelig selektiv til at æde siliciumcarbid sammenlignet med siliciumdioxid, som gjorde det muligt for os at forme siliconcarbid fotoniske enheder og have en glat bølgeleder sidevæg, "Siger Ma. Den glatte sidevæg er kritisk for at opretholde de optiske signaler i den fotoniske enhed, bemærker han.

De vigtigste lyskilder i disse resonatorer er absorption af fotoner i ringmaterialet og/eller spredning af fotoner forårsaget af ringens ruhed. "Danhaos behandling gav glatte sidevægge, hvilket muliggjorde lavt tab og en høj Q (kvalitets) faktor resonator, "Forklarer Agarwal.

"Skønheden ved dette siliciumcarbidmateriale og den teknik, vi brugte her i papiret, er, at PECVD -processen med siliciumcarbid er en billig proces, standard inden for siliciummikroelektronikindustrien, "siger mor, hvis forskningskoncentration er materialedesign og teknik til integreret fotonik. "Brug af de eksisterende mikroelektronikprocesser vil gøre det lettere at anvende siliciumcarbid i de integrerede fotoniske og integrerede elektroniske platforme." PECVD og reaktive tørion -ætsningsprocesser, han brugte, kræver ikke gittermatchning og andre kritiske krav til epitaksial vækst på silicium, og er substrat-agnostisk, Siger Ma.

Bedre ydelse

Tan har undersøgt siliciumnitridmaterialer og andre CMOS -materialer for deres ulinearitet i flere år. "For (amorft) siliciumcarbid, du ville have en bedre forbedring, når den støbes som en resonator sammenlignet med ultra-silicium-rige nitrid, og det har også et højere ikke -lineært brydningsindeks end støkiometrisk siliciumnitrid, som er produktiv inden for ikke -lineær optik, "Siger Tan.

Flere former for fotonabsorption kendt som to-foton og tre-fotonabsorption er typisk til stede i disse enheder. I dette studie, Tan siger, tab blev domineret af tre-fotonabsorption, som er en relativt svag ikke -lineær tabsmekanisme, mens to-fotonabsorption, hvilket kan være et problem i mange krystallinske silicium- og amorfe siliciummaterialer, blev undertrykt.

Agarwal og Tan begyndte at samarbejde, mens Tan var gæsteforsker ved MIT fra august 2013 til august 2014. "Vi var meget heldige at være parret med professor Tans team, og vi havde stor glæde af dette samarbejde, og vi fortsætter med at samarbejde, "Siger Agarwal. Agarwals team arbejdede tidligere på at bruge siliciumcarbid i en sensor til barske miljøer.

For det aktuelle arbejde, Singapore -teamet målte de ekstra bølgelængder af lys, der genereres i ringresonatoren - et fænomen kaldet spektraludvidelse, som kvantificeres ved et udtryk kaldet Kerr -nonlinearitet. Forskerne fandt Kerr -ulineariteten af ​​deres siliciumcarbidfilm til at være næsten 10 gange så stor som den tidligere rapporterede krystallinske og amorfe siliciumcarbid.

"Med dette ser du en spektral udvidende effekt, som vi kan udnytte til vores fordel, fordi nu i stedet for kun at have en frekvens, vi genererer flere andre frekvenser, som kan levere en superkontinuum lyskilde, "Siger Agarwal.

Spændende udvikling

Professor David J. Moss, direktør for Center for Micro-Photonics ved Swinburne University of Technology i Australien, der studerer fotoniske materialer, siger, "Dette papir præsenterer nye resultater for amorft siliciumcarbid som en lovende CMOS-kompatibel platform til ikke-lineær optik, især fokuseret på det vigtige telekommunikationsvindue. "

"Opnåelsen af ​​en høj Kerr-ikke-linearitet-der kan sammenlignes med krystallinsk silicium-sammen med ubetydelig absorption af to foton, sammen med rekordhøje (for siliciumcarbid) Q -faktor ringresonatorer, er en spændende udvikling i den fortsatte søgen efter stadigt mere effektive platforme til ikke-lineær optik på 1, 550 nanometer, "tilføjer Moss, som ikke var involveret i denne undersøgelse.

Lektor Andrea Melloni, der leder Photonics Devices Group på Politecnico di Milano i Italien, siger, "Amorft SiC (siliciumcarbid) deponeret med PECVD er af stor interesse. Brydningsindekset er ekstremt tiltalende (2,45 er ikke en fælles værdi), fordi det er højt nok til at muliggøre storskala integration, men ikke så højt som silicium, minimerer dermed problemer forbundet med den meget høje indekskontrast af SOI-strukturer (silicium-on-isolator). "Melloni, som heller ikke deltog i denne forskning, udgav et papir sidste år om Silicon Oxycarbide Photonic Waveguides.

Ser frem til, Ma håber at lave en tykkere siliciumcarbidbølgeleder til et bredere sæt applikationer - f.eks. skabe flere bølgelængder (multiplexering) inden for den enkelte bølgeleder.

"Som en første demonstration af, hvad vi har gjort sammen, Jeg synes, det er en meget lovende platform, hvor hvis vi kan fortsætte med at forfine platformen og enhedsdesign, Jeg tror, ​​vi sandsynligvis ville være i stand til at demonstrere meget god resonatorforbedring, fordi vi har demonstreret meget gode kvalitetsfaktorer, "Tan siger." Hvis vi ville gøre noget som en frekvenskam eller en optisk parametrisk oscillator, tærskeleffekten bliver meget mindre, hvis kvalitetsfaktoren er stor. "

"Hvis dette arbejde kan finansieres i fællesskab, kan vi overveje at lave en integreret lyskilde, sensor og detektor, så der er mange spændende næste trin i dette, "Siger Agarwal.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.