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合作，采用高质量SiC薄膜与氧化硅衬底高强度异质集成方法，结合飞秒激光光刻技术，验证了极低光学损耗的硅基碳化硅单晶薄膜（SiCOI），并将该平台上所制备SiC微腔光学品质因子（Q值）提升到7.1×106，该值是目前已报道的SiC光子器件领域所取得的最高值。基于高Q微腔，验证了低功率下(13 mW)跨越400 nm波长的克尔频梳生成，并首次观测到SiC领域的三次谐波、四次谐波、受激拉曼和级联拉曼激光非线性过程。相关研究成果以“High-Q Microresonators on 4H-silicon-carbide-on-insulator Platform for Nonlinear Photonics”为题在线发表在国际顶级光学期刊Light: Science & Applications （IF:17.8），并被选为正封面文章。
随着集成电路芯片的承载能力迫近其物理极限，集成光子技术被视为是突破摩尔定律的有效途径之一。得益于成熟的微电子工艺和晶圆材料上的优势，集成光子技术首先在SOI材料上实现，并展示了其在物联网、光子计算和激光雷达等领域的应用优势。但随着集成光子技术进一步发展，SOI材料应用于集成光子技术的也面临着诸多困扰，因此人们开始致力于开发新型光子学材料平台。
新的光子学材料平台需要与硅基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用于集成光子芯片，如铌酸锂（LiNbO3）、磷化铟（InP）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）等。SiC相比于传统的集成光子学材料，有着更加综合的优势，如低的光学损耗、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【Optica 6, 991 (2019)]】和量子光学【Nano Lett. 20, 3427 (2020), Nat. Photonics 14, 330 (2020)】领域备受关注。SiC光子学发展十余年以来，SiC薄膜材料的光学损耗问题一直限制人们进一步去发掘SiC在集成非线性、量子光学上的应用优势。
中国科学院上海微系统与信息技术研究所异质集成XOI课题组，在利用异质集成XOI技术制备高质量的SiCOI薄膜的基础上，展示了极高Q值的SiC微腔。基于高Q微腔，研究人员进一步对SiC微腔中丰富的非线性现象进行了研究和表征。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首次被观测，较低功率下(13 mW)的克尔频梳也被验证。该成果所验证的SiC高Q值微腔及其材料平台，为SiC在集成光子学中的应用方面奠定了重要的基础。该研究成果也受到多位审稿人的高度评价，“In my opinion, this work is novel, sound and important. I believe this work will bring a huge momentum for SiC integrated photonics in the next few years,”，“I believe this work will be a milestone for SiC photonics.”，“The presented work here shows microresonator with Q up to 7.1 × 106, which is certainly a major breakthrough in the development of photonic devices that harness the unique optical properties of SiC.”.
本文共同第一作者分别为中科院上海微系统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。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-021-00584-9
