Puede mostrar efectos no lineales de un orden de magnitud superior a los medidos previamente en cualquier sustrato de carburo de silicio. Tan, líder del grupo de sistemas y equipos optoelectrónicos del Instituto de Tecnología Optoelectrónica de Suzhou, dijo: El factor de calidad es una medida de la intensidad de los efectos no lineales producidos por la cavidad resonante. Cuanto mayor sea la cifra de mérito, mejor será el efecto no lineal, por lo que en este caso la cifra de mérito es muy buena. De hecho, fue mucho mejor de lo que esperábamos. Agarwal, Tan, el estudiante graduado en ciencia e ingeniería de materiales del MIT Danhao Ma y otros tres científicos de Singapur y Malasia publicaron sus hallazgos en ACS Photonics.
Se requiere luz de alta intensidad para activar las características no lineales de los dispositivos fotónicos, lo que se puede lograr aumentando la potencia del láser o utilizando dispositivos como resonadores de anillo. El anillo es tan fuerte porque atrapa fotones durante mucho tiempo. Cada vez más fotones se vuelven más intensos, lo que permite evaluar propiedades ópticas no lineales. Al igual que los cables de fibra óptica, los resonadores de anillos de carburo de silicio amorfo y las guías de ondas lineales que transmiten luz infrarroja están rodeados por una capa de óxido de silicio, lo que minimiza la cantidad de luz que puede escapar. El índice de refracción de diferentes materiales determina si funcionan juntos como capa portadora y protectora.
La investigación está tratando de hacer esta guía de ondas de fibra en un chip, por lo que es como una fibra óptica, solo en un chip, por lo que lo que se necesita es un núcleo de alto índice de refracción y un revestimiento de bajo índice de refracción. El carburo de silicio y el óxido de silicio tienen índices de refracción muy diferentes, por lo que funcionan bien juntos, como el núcleo y el revestimiento de una guía de ondas. Los investigadores utilizaron un proceso de química mejorada con plasma (PECVD) para depositar carburo de silicio y desarrollaron modos y métodos de grabado para resonadores de anillo de carburo de silicio acoplados a guías de ondas rectas a temperaturas compatibles con el procesamiento de obleas de silicio CMOS, logrando los resultados de este estudio registrar la calidad. factor.
Mark, un estudiante de posgrado en el MIT, se enfrentó a varios desafíos de procesamiento para crear un resonador de alta calidad. Cuando Ma comenzó a trabajar en materiales de carburo de silicio para este estudio hace unos tres años, no había métodos disponibles para estudiar cómo grabar patrones en materiales de carburo de silicio amorfo depositados sobre sustratos de dióxido de silicio. El carburo de silicio es un material muy duro, tanto física como químicamente, por lo que, en otras palabras, es difícil de eliminar o grabar. Para depositar y grabar guías de ondas de carburo de silicio sobre óxido de silicio, Ma primero utilizó litografía por haz de electrones para trazar las guías de ondas y luego utilizó grabado seco con iones reactivos para eliminar el exceso de carburo de silicio.
Sin embargo, los primeros intentos con máscaras típicas a base de polímeros no tuvieron éxito porque este método eliminaba más máscara que el carburo de silicio. Luego se probó una máscara de metal, pero los límites de los granos se transfirieron de la máscara al carburo de silicio, dejando paredes laterales rugosas en la guía de ondas. La rugosidad es indeseable porque aumenta la dispersión de fotones y las pérdidas ópticas. Para resolver este problema, Ma desarrolló una tecnología de grabado de iones reactivos basada en una máscara de dióxido de silicio. Durante el proceso de desarrollo, Ma trabajó en estrecha colaboración con el postdoctorado del MIT Qingyang Du y Mark K. Mondor, subdirector del Laboratorio de Nanoestructuras del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT.
Finalmente, se encontró el tipo correcto de reacción química en esta reacción, y se controló el flujo de gas y plasma, o se controlaron los detalles de la receta del proceso.
Este método es selectivo para grabar carburo de silicio en comparación con dióxido de silicio, lo que nos permite dar forma a dispositivos fotónicos de carburo de silicio con paredes laterales de guía de ondas suaves, lo cual es importante para mantener las señales ópticas en dispositivos fotónicos. La principal fuente de pérdidas ópticas en estos resonadores es la absorción de fotones en el material del anillo y/o la dispersión de fotones causada por la rugosidad de los bordes del dispositivo de anillo.
El proceso de investigación produce paredes laterales lisas, lo que permite resonadores con bajas pérdidas y altos factores Q (calidad). La belleza de este material de carburo de silicio es que la tecnología utilizada en este estudio, el proceso PECVD de carburo de silicio, es un proceso económico que es el estándar en la industria de la microelectrónica de silicio, y la investigación se centra en el diseño y la ingeniería de materiales fotónicos integrados. . Aprovechando la tecnología microelectrónica existente, el carburo de silicio será más fácilmente aplicable a la fotónica integrada y a las plataformas electrónicas integradas. Los procesos de grabado de iones secos reactivos y PECVD utilizados no requieren coincidencia de red ni otros requisitos críticos para el crecimiento epitaxial del silicio y son independientes del sustrato.
El profesor Tan lleva muchos años estudiando las características no lineales del nitruro de silicio y otros materiales CMOS. El carburo de silicio (amorfo), en comparación con el nitruro de silicio ultrarico, tiene un mejor efecto de mejora cuando se moldea como una cavidad resonante y su índice de refracción no lineal también es mayor que el del nitruro de silicio estequiométrico. En estos dispositivos, normalmente hay absorción de dos fotones y absorción de tres fotones. En este estudio, las pérdidas estuvieron dominadas por la absorción de tres fotones, un mecanismo de pérdida no lineal relativamente débil, mientras que la absorción de dos fotones puede ser un problema y está suprimida en muchos materiales de silicio cristalino y amorfo.
El equipo de Agarwal ha estudiado sensores de carburo de silicio en entornos hostiles. En el trabajo actual, el equipo de investigación de Singapur midió las longitudes de onda adicionales creadas en el resonador de anillo, un fenómeno conocido como ampliación espectral que puede cuantificarse utilizando un término llamado no linealidad de Kerr. Los investigadores descubrieron que la no linealidad de Kerr de la película de carburo de silicio era casi 10 veces mayor que la informada anteriormente para las películas de carburo de silicio cristalino y amorfo. Con esta tecnología podemos ver un efecto de ampliación espectral que podemos aprovechar porque ya no hay una sola frecuencia, sino que se generan varias frecuencias más que proporcionan una fuente de luz súper continua.
David J. Moss, director del Centro de Fotónica de la Universidad Tecnológica de Swain en Australia, dijo: Este artículo proporciona nuevos resultados de investigación sobre el carburo de silicio amorfo y desempeña un papel importante en las áreas de la óptica no lineal, especialmente en. importantes ventanas de comunicación, el carburo de silicio amorfo es una prometedora plataforma compatible con CMOS. La alta no linealidad de Kerr comparable al silicio cristalino, la insignificante absorción de dos fotones y los resonadores de anillo de factor Q récord (carburo de silicio) son avances interesantes en la exploración continua de la plataforma óptica no lineal de 1550 nm.
El profesor asociado Andrea Meroni, jefe del Grupo de Equipos Fotónicos del Politecnico di Milano en Italia, dijo: El carburo de silicio amorfo (SiC) depositado con PECVD ha despertado un gran interés. El índice de refracción es muy atractivo (2,45 no es un valor común) porque es lo suficientemente alto como para permitir una integración a gran escala, pero no tan alto como el silicio, minimizando así los problemas asociados con el contraste de índice de refracción ultra alto del SOI (silicio). -sobre aislante) estructuras . En el futuro, Ma espera fabricar guías de ondas de carburo de silicio más gruesas para una gama más amplia de aplicaciones, como la creación de más longitudes de onda en una sola guía de ondas (multiplexación).
Como primera demostración de investigación colaborativa, se trata de una plataforma muy prometedora. Si podemos continuar mejorando el diseño de la plataforma y del dispositivo, podremos mostrar una muy buena mejora del resonador porque hemos mostrado una muy buena figura de mérito. Si desea hacer un peine de frecuencia o un oscilador paramétrico óptico, si el factor de calidad es grande, la potencia umbral será mucho menor. Si este trabajo puede cofinanciarse, entonces podríamos considerar la posibilidad de crear una fuente de luz, un sensor y un detector integrados, por lo que hay muchos próximos pasos interesantes en este sentido.