Onderzoekers van het MIT en de Singapore University of Technology (SUTD) hebben een microringresonator aangetoond die is gemaakt van amorf siliciumcarbide met de hoogste kwaliteitsfactor tot nu toe. De resonator belooft te worden gebruikt als een on-chip fotonische lichtbron bij de infrarode telecomgolflengte van 1, 550 nanometer.

Gewoon daglicht zal onveranderd door een raam gaan, in een proces dat lineaire transmissie wordt genoemd, maar hetzelfde licht dat door een prisma gaat, splitst zich in een regenboog van kleuren. Evenzo in fotonische apparaten, infrarood licht van een laser kan lineair passeren zonder de "kleur, "maar met hoge intensiteit, het licht kan niet-lineair gedrag vertonen, extra kleuren genereren, of golflengten. Bijvoorbeeld, een enkele gele laser gekoppeld aan een fotonisch apparaat kan blauwe, groente, geel, of oranje kleuren.

Onderzoekers onder leiding van MIT Materials Research Laboratory Research Scientist Anuradha M. Agarwal fabriceerden de amorfe siliciumcarbide ringresonatoren, en onderzoekers van SUTD onder leiding van universitair hoofddocent Dawn T.H. Tan analyseerde de lineaire en niet-lineaire eigenschappen van het apparaat.

"We zijn in staat om een ​​​​orde van grootte hoger niet-lineair effect te laten zien dan eerder gemeten in een van de siliciumcarbidesubstraten, ' zegt Agarwal.

Kwaliteitsfactor is een maat voor hoe sterk de resonator niet-lineaire effecten produceert. "Hoe groter de kwaliteitsfactor, hoe beter het niet-lineaire effect, " zegt Tan, die de Photonics Devices and Systems Group bij SUTD leidt. "Dus in dit geval de kwaliteitsfactor was redelijk goed. Het was eigenlijk veel beter dan we hadden verwacht."

De bevindingen worden beschreven in een paper, op de cover van ACS Photonics, door Agarwal, Bruinen, MIT-student materiaalwetenschappen en techniek Danhao Ma, en drie anderen in Singapore en Maleisië.

Resonator voordeel

Een hoge lichtintensiteit is nodig om niet-lineaire eigenschappen voor fotonische apparaten te activeren, die kan worden bereikt door het vermogen van de laser op te voeren of door een apparaat zoals een ringresonator te gebruiken. "Een ring zorgt voor die hoge intensiteit omdat hij de fotonen lange tijd vasthoudt, " legt Agarwal uit. "Steeds meer fotonen stapelen zich op tot een crescendo en dat maakt de evaluatie van niet-lineaire optische eigenschappen mogelijk."

Net als een glasvezelkabel, die licht doorlaat door een materiaal te wikkelen dat het licht in een ander materiaal draagt ​​dat het licht niet doorlaat, de ringresonator van amorf siliciumcarbide en de rechte golfgeleider voor het dragen van het infraroodlicht zijn omgeven door een laag siliciumoxide die de hoeveelheid licht die kan ontsnappen minimaliseert. De brekingsindices van verschillende materialen bepalen hoe goed ze samenwerken als dragerlaag en beschermende buitenlaag.

"We proberen dit soort glasvezelgolfgeleider op chip te maken, " legt Agarwal uit. "Dus het is als een vezel, maar op een chip, en daarom hebben we een kern nodig met een hoge (brekings)index en een bekleding met een lage index." Siliciumcarbide en siliciumoxide hebben een voldoende groot verschil in hun brekingsindices dat ze goed samenwerken als de kern en bekleding voor een golfgeleider.

De onderzoekers bereikten de recordkwaliteitsfactor in deze studie met behulp van het plasma-enhanced chemical (PECVD) -proces om het siliciumcarbide af te zetten, bij een temperatuur die compatibel is met complementaire metaaloxidehalfgeleider (CMOS) siliciumchipverwerking, en het ontwikkelen van een methode om de siliciumcarbide ringresonator van een patroon te voorzien en te etsen, die is gekoppeld aan een rechte golfgeleider.

Uitdagingen overwinnen

MIT-afgestudeerde student Ma overwon verschillende verwerkingsuitdagingen om de hoogwaardige resonator te maken. Toen Ma ongeveer drie jaar geleden begon te werken aan materialen van siliciumcarbide voor deze studie, er was geen bestaand recept voor het etsen van een patroon in het amorfe siliciumcarbidemateriaal wanneer het wordt afgezet op een siliciumdioxidesubstraat. "Siliciumcarbide is een zeer stijf en fysiek en chemisch hard materiaal, dus, met andere woorden, het is erg moeilijk om het te verwijderen of te etsen, "zegt mama.

Om de siliciumcarbide golfgeleider op siliciumoxide af te zetten en te etsen, Ma gebruikte eerst lithografie met elektronenbundels om de golfgeleiders te modelleren en droog etsen met reactief ionen om overtollig siliciumcarbide te verwijderen. Maar zijn eerste pogingen met een typisch op polymeer gebaseerd masker werkten niet omdat het proces meer van het masker verwijderde dan het siliciumcarbide. Ma probeerde toen een metalen masker, maar korrelgrenzen van het masker overgedragen aan het siliciumcarbide, ruwe zijwanden achterlatend in de golfgeleiders. Ruwheid is ongewenst omdat het de fotonenverstrooiing en het lichtverlies vergroot. Om het probleem op te lossen, Ma ontwikkelde een techniek met behulp van een op siliciumdioxide gebaseerd masker voor het reactieve ionenetsen. Tijdens de procesontwikkeling Ma werkte nauw samen met Qingyang Du, een MIT-postdoc, en Mark K. Mondol, adjunct-directeur van het NanoStructures Laboratory in het MIT Research Laboratory of Electronics.

"We bedachten het juiste type chemie in deze reactie en controleerden de gasstromen en het plasma, of, met andere woorden, de details van het verwerkingsrecept, " zegt Ma. "Dit recept is echt selectief om siliciumcarbide te etsen in vergelijking met siliciumdioxide, waardoor het voor ons mogelijk werd om de siliciumcarbide fotonische apparaten vorm te geven en een gladde golfgeleiderzijwand te hebben, " zegt Ma. De gladde zijwand is van cruciaal belang voor het behoud van de optische signalen in het fotonische apparaat, merkt hij op.

De belangrijkste bronnen van lichtverlies in deze resonatoren zijn absorptie van fotonen in het ringmateriaal en/of verstrooiing van fotonen veroorzaakt door randruwheid van het ringapparaat. "Danhao's verwerking leverde gladde zijwanden op, wat een laag verlies en een hoge Q (kwaliteits) factor resonator mogelijk maakte, ' legt Agarwal uit.

"Het mooie van dit siliciumcarbidemateriaal en de techniek die we hier in het papier hebben gebruikt, is dat het PECVD-proces van siliciumcarbide een goedkoop proces is, standaard in de siliciummicro-elektronica-industrie, " zegt mama, wiens onderzoeksconcentratie materiaalontwerp en engineering voor geïntegreerde fotonica is. "Het gebruik van de bestaande micro-elektronicaprocessen zal de acceptatie van siliciumcarbide in de geïntegreerde fotonische en geïntegreerde elektronische platforms vergemakkelijken." De PECVD en reactieve droge ionen etsprocessen die hij gebruikte vereisen niet de roosteraanpassing en andere kritische eisen van epitaxiale groei op silicium, en is substraat-agnostisch, zegt mama.

Betere prestatie

Tan heeft jarenlang siliciumnitridematerialen en andere CMOS-materialen bestudeerd op hun niet-lineariteit. "Voor (amorf) siliciumcarbide, je zou een betere verbetering hebben wanneer het als een resonator wordt gegoten in vergelijking met ultra-siliciumrijk nitride, en het heeft ook een hogere niet-lineaire brekingsindex dan stoichiometrische siliciumnitride, die productief is in niet-lineaire optica, "zegt Tan.

Verschillende soorten fotonenabsorptie, bekend als absorptie van twee fotonen en drie fotonen, zijn typisch aanwezig in deze apparaten. In dit onderzoek, Tan zegt, verlies werd gedomineerd door drie-foton absorptie, wat een relatief zwak niet-lineair verliesmechanisme is, terwijl absorptie van twee fotonen, wat een probleem kan zijn in veel kristallijn silicium en amorfe siliciummaterialen, werd onderdrukt.

Agarwal en Tan begonnen samen te werken terwijl Tan van augustus 2013 tot augustus 2014 gastwetenschapper was aan het MIT. en we hebben veel aan deze samenwerking gehad, en we blijven samenwerken, ", zegt Agarwal. Het team van Agarwal werkte eerder aan het gebruik van siliciumcarbide in een sensor voor ruwe omgevingen.

Voor het huidige werk het team van Singapore heeft de extra golflengten van het licht gemeten dat wordt gegenereerd in de ringresonator - een fenomeen dat spectrale verbreding wordt genoemd, die wordt gekwantificeerd door een term genaamd Kerr-niet-lineariteit. De onderzoekers ontdekten dat de Kerr-niet-lineariteit van hun siliciumcarbidefilm bijna 10 keer zo groot was als die van eerder gerapporteerde kristallijne en amorfe siliciumcarbide.

"Hiermee zie je een spectraal verbredend effect, die we in ons voordeel kunnen gebruiken, want in plaats van slechts één frequentie te hebben, we genereren verschillende andere frequenties die een supercontinuümlichtbron kunnen bieden, ' zegt Agarwal.

Spannende ontwikkeling

Professor David J. Moss, directeur van het Centre for Micro-Photonics aan de Swinburne University of Technology in Australië, die fotonische materialen bestudeert, zegt, "Dit artikel presenteert nieuwe resultaten voor amorf siliciumcarbide als een veelbelovend CMOS-compatibel platform voor niet-lineaire optica, met name gericht op het belangrijke telecommunicatievenster."

"Het bereiken van een hoge Kerr-niet-lineariteit - vergelijkbaar met kristallijn silicium - samen met een verwaarloosbare absorptie van twee fotonen, samen met recordhoge (voor siliciumcarbide) Q-factor ringresonatoren, is een opwindende ontwikkeling in de voortdurende zoektocht naar steeds efficiëntere platforms voor niet-lineaire optica op 1, 550 nanometer, " voegt Mos toe, die niet bij dit onderzoek betrokken was.

Universitair hoofddocent Andrea Melloni, die aan het hoofd staat van de Photonics Devices Group bij Politecnico di Milano in Italië, zegt, "Amorf SiC (siliciumcarbide) afgezet met PECVD is van groot belang. De brekingsindex is buitengewoon aantrekkelijk (2,45 is geen gebruikelijke waarde) omdat deze hoog genoeg is om grootschalige integratie mogelijk te maken, maar niet zo hoog als silicium, waardoor problemen in verband met het zeer hoge indexcontrast van SOI-structuren (silicium-op-isolator) worden geminimaliseerd." Melloni, die ook niet meededen aan dit onderzoek, publiceerde vorig jaar een paper over Silicium Oxycarbide Photonic Waveguides.

Vooruit kijken, Ma hoopt een dikkere golfgeleider van siliciumcarbide te maken voor een bredere reeks toepassingen, bijvoorbeeld het creëren van meer golflengten (multiplexing) binnen de enkele golfgeleider.

"Als eerste demonstratie van wat we samen hebben gedaan, Ik denk dat het een veelbelovend platform is waar als we het platform- en apparaatontwerp kunnen blijven verfijnen, Ik denk dat we waarschijnlijk een zeer goede resonatorverbetering zouden kunnen aantonen omdat we zeer goede kwaliteitsfactoren hebben aangetoond, Tan zegt. "Als we iets wilden doen als een frequentiekam of een optische parametrische oscillator, het drempelvermogen wordt een stuk kleiner als de kwaliteitsfactor groot is."

"Als dit werk gezamenlijk kan worden gefinancierd, kunnen we nadenken over het maken van een geïntegreerde lichtbron, sensor en detector, dus er zijn veel spannende vervolgstappen hierin, ' zegt Agarwal.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.