Forskare vid MIT och Singapore University of Technology (SUTD) har demonstrerat en mikroringresonator gjord av amorf kiselkarbid med den högsta kvalitetsfaktorn hittills. Resonatorn lovar att användas som en fotonisk ljuskälla på chipet vid den infraröda telekomvåglängden på 1, 550 nanometer.

Vanligt dagsljus kommer att passera genom ett fönster oförändrat, i en process som kallas linjär transmission, men samma ljus som passerar genom ett prisma kommer att delas upp i en regnbåge av färger. På liknande sätt i fotoniska enheter, infrarött ljus från en laser kan passera igenom på linjärt sätt utan att ändra dess "färg, "men med hög intensitet, ljuset kan uppvisa olinjärt beteende, genererar ytterligare färger, eller våglängder. Till exempel, en enda gul laser kopplad till en fotonisk enhet kan generera blått, grön, gul, eller orange färger.

Forskare ledda av MIT Materials Research Laboratory Research Scientist Anuradha M. Agarwal tillverkade de amorfa ringresonatorerna av kiselkarbid, och forskare vid SUTD under ledning av docent Dawn T.H. Tan analyserade enhetens linjära och olinjära egenskaper.

"Vi kan visa en storleksordning högre olinjär effekt än uppmätt tidigare i något av kiselkarbidsubstraten, " säger Agarwal.

Kvalitetsfaktor är ett mått på hur starkt resonatorn producerar olinjära effekter. "Ju större kvalitetsfaktor, ju bättre den olinjära effekten, säger Tan, som leder Photonics Devices and Systems Group vid SUTD. "Så i det här fallet, kvalitetsfaktorn var ganska bra. Det var faktiskt mycket bättre än vi förväntade oss."

Fynden beskrivs i en tidning, med på omslaget till ACS Photonics, av Agarwal, Solbränna, MIT materialvetenskap och ingenjörsstudent Danhao Ma, och tre andra i Singapore och Malaysia.

Resonatorfördel

Hög ljusintensitet behövs för att utlösa icke-linjära egenskaper för fotoniska enheter, vilket kan uppnås antingen genom att öka laserns effekt eller använda en anordning såsom en ringresonator. "En ring tillåter den höga intensiteten eftersom den fångar fotonerna under lång tid, " Agarwal förklarar. "Fler och fler fotoner byggs upp för att likna ett crescendo och det möjliggör utvärdering av olinjära optiska egenskaper."

Som en fiberoptisk kabel, som överför ljus genom att linda ett material som bär ljuset inuti ett annat material som inte tillåter ljuset att passera genom det, den amorfa kiselkarbidringresonatorn och den raka vågledaren för att bära det infraröda ljuset är omgivna av ett lager av kiseloxid som minimerar mängden ljus som kan strömma ut. Brytningsindexen för olika material avgör hur väl de fungerar tillsammans som bärarskikt och skyddande yttre skikt.

"Vi försöker skapa den här typen av en fiberoptisk vågledare på chip, " Agarwal förklarar. "Så det är som en fiber, men på ett chip, och därför behöver vi en kärna med ett högt (brytnings)index och en beklädnad med ett lågt index." Kiselkarbid och kiseloxid har en tillräckligt stor skillnad i sina brytningsindex för att de fungerar bra tillsammans som kärnan och beklädnaden för en vågledare.

Forskarna uppnådde rekordkvalitetsfaktorn i denna studie genom att använda den plasmaförstärkta kemiska (PECVD) processen för att avsätta kiselkarbiden, vid en temperatur som är kompatibel med komplementär metalloxidhalvledare (CMOS) kiselchipsbehandling, och utveckla en metod för att mönstra och etsa kiselkarbidringresonatorn, som är kopplad till en rak vågledare.

Att övervinna utmaningar

MIT-studenten Ma övervann flera bearbetningsutmaningar för att göra resonatorn av hög kvalitet. När Ma började arbeta med kiselkarbidmaterial för denna studie för ungefär tre år sedan, det fanns inget befintligt recept för hur man etsar in ett mönster i det amorfa kiselkarbidmaterialet när det avsätts på ett kiseldioxidsubstrat. "Kiselkarbid är ett mycket styvt och fysiskt och kemiskt hårt material, så, med andra ord, det är väldigt svårt att ta bort eller etsa det, " säger mamma.

För att avsätta och etsa kiselkarbidvågledaren på kiseloxid, Ma använde först elektronstrålelitografi för att mönstra vågledarna och torretsning med reaktiv jon för att avlägsna överskott av kiselkarbid. Men hans första försök med en typisk polymerbaserad mask fungerade inte eftersom processen tog bort mer av masken än kiselkarbiden. Mamma provade sedan en metallmask, men korngränser från masken förs över till kiselkarbiden, lämnar efter sig grova sidoväggar i vågledarna. Grovhet är oönskad eftersom den ökar fotonspridning och ljusförlust. För att lösa problemet, Ma utvecklade en teknik som använder en kiseldioxidbaserad mask för reaktiv jonetsning. Under processutvecklingen, Ma arbetade nära Qingyang Du, en MIT postdoc, och Mark K. Mondol, biträdande chef för NanoStructures Laboratory i MIT Research Laboratory of Electronics.

"Vi kom fram till rätt typ av kemi i denna reaktion och kontrollerade gasflödena och plasman, eller, med andra ord, detaljerna i bearbetningsreceptet, " säger mamma. "Det här receptet är verkligen selektivt för att etsa kiselkarbid jämfört med kiseldioxid, vilket gjorde det möjligt för oss att forma de fotoniska enheterna av kiselkarbid och ha en slät vågledarsidovägg, " säger Ma. Den släta sidoväggen är avgörande för att upprätthålla de optiska signalerna i den fotoniska enheten, konstaterar han.

De huvudsakliga källorna till ljusförlust i dessa resonatorer är absorption av fotoner i ringmaterialet och/eller spridning av fotoner orsakad av kantsträvhet hos ringanordningen. "Danhaos bearbetning gav släta sidoväggar, som möjliggjorde låga förluster och en resonator med hög Q-faktor (kvalitet), Agarwal förklarar.

"Det fina med detta kiselkarbidmaterial och tekniken som vi använde här i tidningen är att PECVD-processen av kiselkarbid är en billig process, standard inom kiselmikroelektronikindustrin, säger mamma, vars forskningskoncentration är materialdesign och ingenjörskonst för integrerad fotonik. "Användning av befintliga mikroelektronikprocesser kommer att göra införandet av kiselkarbid i de integrerade fotoniska och integrerade elektroniska plattformarna lättare." PECVD och reaktiva torrjonetsningsprocesser han använde kräver inte gittermatchning och andra kritiska krav för epitaxiell tillväxt på kisel, och är substratagnostisk, säger mamma.

Bättre prestanda

Tan har under flera år studerat kiselnitridmaterial och andra CMOS-material för deras olinjäritet. "För (amorf) kiselkarbid, du skulle få en bättre förbättring när den gjuts som en resonator jämfört med ultrakiselrik nitrid, och den har också ett högre olinjärt brytningsindex än stökiometrisk kiselnitrid, som är produktiv inom olinjär optik, " Säger Tan.

Flera typer av fotonabsorption kända som två-foton- och tre-fotonabsorption är vanligtvis närvarande i dessa anordningar. I den här studien, Tan säger, förlust dominerades av tre-fotonabsorption, vilket är en relativt svag olinjär förlustmekanism, medan tvåfotonabsorption, vilket kan vara ett problem i många kristallint kisel och amorft kiselmaterial, undertrycktes.

Agarwal och Tan började samarbeta medan Tan var gästforskare vid MIT från augusti 2013 till augusti 2014. "Vi hade turen att få vara ihopkopplade med professor Tans team, och vi har haft mycket nytta av detta samarbete, och vi fortsätter att samarbeta, Agarwal säger. Agarwals team har tidigare arbetat med att använda kiselkarbid i en sensor för tuffa miljöer.

För det aktuella arbetet, Singapore-teamet mätte de extra våglängderna av ljus som genererades i ringresonatorn - ett fenomen som kallas spektral breddning, som kvantifieras av en term som kallas Kerr-olinjäritet. Forskarna fann att Kerr-olinjäriteten hos deras kiselkarbidfilm var nästan 10 gånger högre än tidigare rapporterad kristallin och amorf kiselkarbid.

"Med detta ser du en spektral breddande effekt, som vi kan utnyttja till vår fördel eftersom istället för att bara ha en frekvens, vi genererar flera andra frekvenser som kan ge en superkontinuum ljuskälla, " säger Agarwal.

Spännande utveckling

Professor David J. Moss, chef för Center for Micro-Photonics vid Swinburne University of Technology i Australien, som studerar fotoniska material, säger, "Denna artikel presenterar nya resultat för amorf kiselkarbid som en lovande CMOS-kompatibel plattform för olinjär optik, särskilt fokuserat på det viktiga telekommunikationsfönstret."

"Att uppnå en hög Kerr-olinjäritet - jämförbar med kristallint kisel - tillsammans med försumbar tvåfotonabsorption, tillsammans med rekordhöga (för kiselkarbid) Q-faktor ringresonatorer, är en spännande utveckling i den fortsatta strävan efter allt effektivare plattformar för olinjär optik på 1, 550 nanometer, " tillägger Moss, som inte var involverad i denna forskning.

Docent Andrea Melloni, som leder Photonics Devices Group vid Politecnico di Milano i Italien, säger, "Amorf SiC (kiselkarbid) avsatt med PECVD är av stort intresse. Brytningsindexet är extremt tilltalande (2,45 är inte ett vanligt värde) eftersom det är tillräckligt högt för att möjliggöra storskalig integration, men inte så hög som kisel, vilket minimerar problem förknippade med den mycket höga indexkontrasten hos SOI (kisel-på-isolator) strukturer." Melloni, som inte heller deltog i denna forskning, publicerade en artikel förra året om Silicon Oxycarbide Photonic Waveguides.

Blickar framåt, Ma hoppas kunna göra en tjockare vågledare av kiselkarbid för en bredare uppsättning applikationer - till exempel, skapa fler våglängder (multiplexering) inom den enda vågledaren.

"Som en första demonstration av vad vi har gjort tillsammans, Jag tror att det är en mycket lovande plattform där om vi kan fortsätta att förfina plattformen och enhetsdesignen, Jag tror att vi förmodligen skulle kunna visa mycket bra resonatorförbättring eftersom vi har visat mycket bra kvalitetsfaktorer, " säger Tan. "Om vi ​​ville göra något som en frekvenskam eller en optisk parametrisk oscillator, tröskeleffekten blir mycket mindre om kvalitetsfaktorn är stor."

"Om det här arbetet kan finansieras gemensamt kan vi tänka på att göra en integrerad ljuskälla, sensor och detektor, så det finns många spännande nästa steg i detta, " säger Agarwal.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.