近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所歐欣團隊和華東師范大學合作，采用高質量SiC薄膜與氧化硅襯底高強度異質集成方法，結合飛秒激光光刻技術，驗證了極低光學損耗的硅基碳化硅單晶薄膜（SiCOI），并將該平臺上所制備SiC微腔光學品質因子（Q值）提升到7.1×106，該值是目前已報道的SiC光子器件領域所取得的最高值。基于高Q微腔，驗證了低功率下(13 mW)跨越400 nm波長的克爾頻梳生成，并首次觀測到SiC領域的三次諧波、四次諧波、受激拉曼和級聯拉曼激光非線性過程。相關研究成果以“High-Q Microresonators on 4H-silicon-carbide-on-insulator Platform for Nonlinear Photonics”為題在線發表在國際頂級光學期刊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勢，集成光子技術首先在SOI材料上實現，并展示了其在物聯網、光子計算和激光雷達等領域的應用優勢。但隨著集成光子技術進一步發展，SOI材料應用于集成光子技術的也面臨著諸多困擾，因此人們開始致力于開發新型光子學材料平臺。

新的光子學材料平臺需要與硅基CMOS工藝兼容，同時應具備低損耗、高折射、高非線性系數、高功率耐受性等特性。當前多種材料被發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相比于傳統的集成光子學材料，有著更加綜合的優勢，如低的光學損耗、高折射率、高非線性系數、CMOS工藝兼容、高耐受功率、量子色心效應等，因此SiC近期在集成光學【Optica 6, 991 (2019)]】和量子光學【Nano Lett. 20, 3427 (2020), Nat. Photonics 14, 330 (2020)】領域備受關注。SiC光子學發展十余年以來，SiC薄膜材料的光學損耗問題一直限制人們進一步去發掘SiC在集成非線性、量子光學上的應用優勢。

中國科學院上海微系統與信息技術研究所異質集成XOI課題組，在利用異質集成XOI技術制備高質量的SiCOI薄膜的基礎上，展示了極高Q值的SiC微腔。基于高Q微腔，研究人員進一步對SiC微腔中豐富的非線性現象進行了研究和表征。SiC領域的三次諧波、四次諧波、受激拉曼、級聯拉曼非線性過程首次被觀測，較低功率下(13 mW)的克爾頻梳也被驗證。該成果所驗證的SiC高Q值微腔及其材料平臺，為SiC在集成光子學中的應用方面奠定了重要的基礎。該研究成果也受到多位審稿人的高度評價，“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.”.

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

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-021-00584-9

（來源：中國電子材料行業協會）