Onderzoekers onder leiding van Ou Xin van het Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT) van de Chinese Academie van Wetenschappen hebben onlangs de mijlpalen en uitdagingen in op siliciumcarbide (SiC) gebaseerde geïntegreerde optica uitgebreid besproken. Deze recensie is gepubliceerd in Applied Physics Reviews .

Van fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC's) wordt verwacht dat ze twee knelpunten op het gebied van transmissiebandbreedte en verwerkingssnelheid in de informatietechnologie oplossen. Traditionele siliciumfotonica kan echter niet alle functies realiseren die de informatiemaatschappij vereist. Als aanvulling kunnen platforms zoals LiNbO₃ , Si₃ N₄ , enz. worden verkend. Vooral SiC, dat profiteerde van zijn hoge brekingsindex, brede transparantievenster, hoge niet-lineaire coëfficiënt, complementaire metaaloxidehalfgeleider (CMOS)-compatibiliteit, enz., wordt geaccepteerd als een veelbelovend platform voor PIC's.

In niet-lineaire optica, ultrahoge Q (hoogste waarde 7,1×10 ⁶ ) SiC optische resonatoren, octaafomspannende Kerr-frequentiemicrokammen en soliton Kerr-frequentiemicrokammen bij cryogene temperatuur zijn de afgelopen drie jaar achtereenvolgens aangetoond. In elektro-optica werd een CMOS-aangedreven op microring gebaseerde elektro-optische modulator aangetoond die werkt met een hoge optische dichtheid. SiC krijgt ook veel aandacht in de kwantumoptica. Het kan een enkel spindefect bevatten met heldere emissie en een lange spincoherentietijd. Coherente manipulatie van enkele divacancy-spin in 4H-SiC en efficiënte koppeling van siliciumvacature (SiV) aan resonatoren (micropilaren of PhC's) in 4H-SiCOI zijn respectievelijk gerealiseerd. Verder is een kubische roostersite SiV (V2) gegenereerd door He ⁺ implantatie werd geïntegreerd in de golfgeleider zonder verslechtering van intrinsieke spin-optische eigenschappen.

Het is duidelijk dat SiC-fotonica momenteel een hoge vlucht neemt met enorme kansen maar ook uitdagingen, vooral bij de bereiding van hoogwaardige siliciumcarbide-op-isolator (SiCOI).

De groep van Ou van SIMIT heeft systematisch onderzoek gedaan naar op SiCOI gebaseerde geïntegreerde fotonica. In 2019 fabriceerden ze 4-inch 4H-SiCOI met hoge uniformiteit voor geïntegreerde optica door ion-cutting-technologie en genereerden ze een coherent gecontroleerd spindefect bij kamertemperatuur in de 4H-SiC door H ⁺ implantatie.

Vervolgens werd een SiC-resonator gefabriceerd door middel van femtoseconde laserondersteunde chemisch-mechanische polijstmethode en werd de optische kwaliteitsfactor gemeten als 7,1 × 10 ⁶ , wat tot nu toe de hoogste waarde is in SiC-fotonica.

Dankzij de ultrahoge Q, breedbandfrequentieconversie, werden trapsgewijze Raman-lasing en Kerr-frequentie met brede bandbreedte bereikt. In 2022 werd de 4H-SiC-fotonische chip geïntegreerd met InGaAs-quantumdot-gebaseerde single-photon-bronnen door middel van pick-and-place-techniek.

Door tweelaagse verticale koppelingen en 1 × 2 multimode interferometers te ontwerpen met een vermogenssplitsingsverhouding van 50:50, werd de opwekking en zeer efficiënte routering van enkelvoudige fotonenemissie in de hybride kwantumfotonische chip gerealiseerd.

De groep streefde onlangs naar het fabriceren van 4H-SiCOI met een laag optisch verlies en om geïntegreerde niet-lineaire en kwantum SiC-fotonica mogelijk te maken, met name breedband brede solitonfrequentie Kerr-kammen.

In combinatie met de vooruitgang in niet-lineaire SiC- en kwantumoptica, kan een breder perspectief voor SiC-geïntegreerde optica worden verwacht. De ontwikkeling van goedkope 4H-SiCOI op waferschaal en van hoge kwaliteit zal de ontwikkeling van niet-lineaire en kwantumoptica stimuleren, en zelfs SiC-vermogens- en radiofrequentie-apparaten. + Verder verkennen

Een nieuw platform voor geïntegreerde fotonica