上海微系統(tǒng)所在硅基碳化硅異質(zhì)集成XOI領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

與非網(wǎng)訊 近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所歐欣團(tuán)隊(duì)和華東師范大學(xué)合作，采用高質(zhì)量碳化硅（SiC）薄膜與氧化硅襯底高強(qiáng)度異質(zhì)集成方法，結(jié)合飛秒激光光刻技術(shù)，驗(yàn)證了極低光學(xué)損耗的硅基碳化硅單晶薄膜（SiCOI），并將該平臺(tái)上所制備SiC微腔光學(xué)品質(zhì)因子（Q值）提升到7.1×10?，該值是目前已報(bào)道的SiC光子器件領(lǐng)域所取得的最高值?；诟逹微腔，驗(yàn)證了低功率下（13 mW）跨越400 nm波長(zhǎng)的克爾頻梳生成，并首次觀測(cè)到SiC領(lǐng)域的三次諧波、四次諧波、受激拉曼和級(jí)聯(lián)拉曼激光非線性過(guò)程。相關(guān)研究成果以“High-Q Microresonators on 4H-silicon-carbide-on-insulator Platform for Nonlinear Photonics”為題在線發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)光學(xué)期刊Light: Science & Applications （IF:17.8），并被選為正封面文章。

隨著集成電路芯片的承載能力迫近其物理極限，集成光子技術(shù)被視為是突破摩爾定律的有效途徑之一。得益于成熟的微電子工藝和晶圓材料上的優(yōu)勢(shì)，集成光子技術(shù)首先在SOI材料上實(shí)現(xiàn)，并展示了其在物聯(lián)網(wǎng)、光子計(jì)算和激光雷達(dá)等領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但隨著集成光子技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，SOI材料應(yīng)用于集成光子技術(shù)的也面臨著諸多困擾，因此人們開(kāi)始致力于開(kāi)發(fā)新型光子學(xué)材料平臺(tái)。

新的光子學(xué)材料平臺(tái)需要與硅基CMOS工藝兼容，同時(shí)應(yīng)具備低損耗、高折射、高非線性系數(shù)、高功率耐受性等特性。當(dāng)前多種材料被發(fā)展用于集成光子芯片，如鈮酸鋰（LiNbO3）、磷化銦（InP）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）等。SiC相比于傳統(tǒng)的集成光子學(xué)材料，有著更加綜合的優(yōu)勢(shì)，如低的光學(xué)損耗、高折射率、高非線性系數(shù)、CMOS工藝兼容、高耐受功率、量子色心效應(yīng)等，因此SiC近期在集成光學(xué)【Optica 6, 991 (2019)]】和量子光學(xué)【Nano Lett. 20, 3427 (2020), Nat. Photonics 14, 330 (2020)】領(lǐng)域備受關(guān)注。SiC光子學(xué)發(fā)展十余年以來(lái)，SiC薄膜材料的光學(xué)損耗問(wèn)題一直限制人們進(jìn)一步去發(fā)掘SiC在集成非線性、量子光學(xué)上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所異質(zhì)集成XOI課題組，在利用異質(zhì)集成XOI技術(shù)制備高質(zhì)量的SiCOI薄膜的基礎(chǔ)上，展示了極高Q值的SiC微腔?；诟逹微腔，研究人員進(jìn)一步對(duì)SiC微腔中豐富的非線性現(xiàn)象進(jìn)行了研究和表征。SiC領(lǐng)域的三次諧波、四次諧波、受激拉曼、級(jí)聯(lián)拉曼非線性過(guò)程首次被觀測(cè)，較低功率下（13 mW）的克爾頻梳也被驗(yàn)證。該成果所驗(yàn)證的SiC高Q值微腔及其材料平臺(tái)，為SiC在集成光子學(xué)中的應(yīng)用方面奠定了重要的基礎(chǔ)。該研究成果也受到多位審稿人的高度評(píng)價(jià)，“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.”.

中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所原名中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所，前身是成立于1928年的國(guó)立中央研究院工程研究所，是我國(guó)最早的工學(xué)研究機(jī)構(gòu)之一。新中國(guó)成立后隸屬中國(guó)科學(xué)院，曾命名中國(guó)科學(xué)院工學(xué)實(shí)驗(yàn)館、中國(guó)科學(xué)院冶金陶瓷研究所。

本文共同第一作者分別為中科院上海微系統(tǒng)所歐欣研究員指導(dǎo)的博士生王成立和伊艾倫，及華東師范大學(xué)方致偉副教授。張加祥研究員、程亞教授、歐欣研究員為論文共同通訊作者。