I ricercatori del MIT e della Singapore University of Technology (SUTD) hanno dimostrato un micro risonatore ad anello realizzato in carburo di silicio amorfo con il più alto fattore di qualità fino ad oggi. Il risonatore promette di essere utilizzato come sorgente di luce fotonica su chip alla lunghezza d'onda delle telecomunicazioni a infrarossi di 1, 550 nanometri.

La normale luce del giorno passerà inalterata da una finestra, in un processo chiamato trasmissione lineare, ma la stessa luce che passa attraverso un prisma si dividerà in un arcobaleno di colori. Allo stesso modo nei dispositivi fotonici, la luce infrarossa di un laser può passare in modo lineare senza cambiare il suo "colore, "ma ad alta intensità, la luce può mostrare un comportamento non lineare, generando colori aggiuntivi, o lunghezze d'onda. Per esempio, un singolo laser giallo accoppiato a un dispositivo fotonico può generare blu, verde, giallo, o colori arancioni.

I ricercatori guidati dal ricercatore Anuradha M. Agarwal del laboratorio di ricerca sui materiali del MIT hanno fabbricato i risonatori ad anello in carburo di silicio amorfo, e ricercatori del SUTD guidati dal Professore Associato Dawn T.H. Tan ha analizzato le proprietà lineari e non lineari del dispositivo.

"Siamo in grado di mostrare un effetto non lineare di un ordine di grandezza superiore a quello misurato in precedenza in uno qualsiasi dei substrati di carburo di silicio, "dice Agarwal.

Il fattore di qualità è una misura della forza con cui il risonatore produce effetti non lineari. "Maggiore è il fattore qualità, migliore è l'effetto non lineare, "dice Tan, che guida il gruppo di dispositivi e sistemi fotonici presso SUTD. "Quindi in questo caso il fattore qualità era abbastanza buono. In realtà è stato molto meglio di quanto ci aspettassimo".

I risultati sono descritti in un documento, presente sulla copertina di ACS Photonics, di Agarwal, abbronzatura, Danhao Ma, studente laureato in scienze dei materiali e ingegneria del MIT, e altri tre a Singapore e in Malesia.

Vantaggio del risonatore

È necessaria un'elevata intensità di luce per attivare proprietà non lineari per dispositivi fotonici, che può essere ottenuto aumentando la potenza del laser o utilizzando un dispositivo come un risonatore ad anello. "Un anello consente quell'alta intensità perché intrappola i fotoni per molto tempo, " Spiega Agarwal. "Sempre più fotoni si accumulano come un crescendo e ciò consente la valutazione delle proprietà ottiche non lineari".

Come un cavo in fibra ottica, che trasmette la luce avvolgendo un materiale che porta la luce all'interno di un altro materiale che non permetterà alla luce di attraversarlo, il risonatore ad anello in carburo di silicio amorfo e la guida d'onda diritta per il trasporto della luce infrarossa sono circondati da uno strato di ossido di silicio che riduce al minimo la quantità di luce che può fuoriuscire. Gli indici di rifrazione dei diversi materiali determinano quanto bene lavorano insieme come strato di supporto e strato protettivo esterno.

"Stiamo cercando di creare questo tipo di guida d'onda in fibra ottica su chip, "Spiega Agarwal. "Quindi è come una fibra, ma su un chip, e quindi ciò di cui abbiamo bisogno è un nucleo con un indice di rifrazione alto e un rivestimento con un indice basso." Il carburo di silicio e l'ossido di silicio hanno una differenza abbastanza grande nei loro indici di rifrazione che funzionano insieme bene come il nucleo e il rivestimento per un guida d'onda.

I ricercatori hanno raggiunto il fattore di qualità record in questo studio utilizzando il processo chimico potenziato al plasma (PECVD) per depositare il carburo di silicio, a una temperatura compatibile con l'elaborazione di chip di silicio a semiconduttore di ossido di metallo complementare (CMOS), e sviluppare un metodo per modellare e incidere il risonatore ad anello in carburo di silicio, che è accoppiato a una guida d'onda diritta.

Superare le sfide

Lo studente laureato del MIT Ma ha superato diverse sfide di elaborazione per realizzare il risonatore di alta qualità. Quando Ma ha iniziato a lavorare sui materiali in carburo di silicio per questo studio circa tre anni fa, non esisteva una ricetta esistente su come incidere un modello nel materiale amorfo di carburo di silicio quando viene depositato su un substrato di biossido di silicio. "Il carburo di silicio è un materiale molto rigido e fisicamente e chimicamente duro, così, in altre parole, è molto difficile che venga rimosso o inciso, "Mà dice.

Per depositare e incidere la guida d'onda in carburo di silicio su ossido di silicio, Ma ha utilizzato per la prima volta la litografia a fascio di elettroni per modellare le guide d'onda e l'incisione a secco con ioni reattivi per rimuovere l'eccesso di carburo di silicio. Ma i suoi primi tentativi con una tipica maschera a base di polimeri non hanno funzionato perché il processo ha rimosso più maschera rispetto al carburo di silicio. Ma poi ha provato una maschera di metallo, ma i bordi di grano dalla maschera riportati al carburo di silicio, lasciando dietro di sé pareti laterali ruvide nelle guide d'onda. La rugosità è indesiderabile perché aumenta la diffusione dei fotoni e la perdita di luce. Per risolvere il problema, Ma ha sviluppato una tecnica che utilizza una maschera a base di biossido di silicio per l'incisione con ioni reattivi. Durante lo sviluppo del processo, Ma ha lavorato a stretto contatto con Qingyang Du, un postdoc del MIT, e Mark K. Mondol, vicedirettore del Laboratorio di NanoStrutture nel Laboratorio di Ricerca di Elettronica del MIT.

"Abbiamo trovato il giusto tipo di chimica in questa reazione e abbiamo controllato i flussi di gas e il plasma, o, in altre parole, i dettagli della ricetta di lavorazione, " Ma dice. "Questa ricetta è davvero selettiva per incidere il carburo di silicio rispetto al biossido di silicio, che ci ha permesso di modellare i dispositivi fotonici al carburo di silicio e di avere una parete laterale liscia della guida d'onda, " dice Ma. La parete laterale liscia è fondamentale per mantenere i segnali ottici nel dispositivo fotonico, lui nota.

Le principali fonti di perdita di luce in questi risonatori sono l'assorbimento di fotoni nel materiale dell'anello e/o la dispersione di fotoni causata dalla rugosità del bordo del dispositivo ad anello. "L'elaborazione di Danhao ha prodotto pareti laterali lisce, che ha consentito una bassa perdita e un risonatore con fattore Q (qualità) elevato, " spiega Agarwal.

"La bellezza di questo materiale in carburo di silicio e la tecnica che abbiamo usato qui nella carta è che il processo PECVD del carburo di silicio è un processo poco costoso, standard nel settore della microelettronica al silicio, "dice mamma, la cui concentrazione di ricerca è la progettazione e l'ingegneria dei materiali per la fotonica integrata. "L'uso dei processi di microelettronica esistenti renderà più facile l'adozione del carburo di silicio nelle piattaforme fotoniche integrate e elettroniche integrate". Il PECVD e i processi di incisione con ioni secchi reattivi che ha usato non richiedono l'adattamento del reticolo e altre richieste critiche della crescita epitassiale sul silicio, ed è indipendente dal substrato, Ma' dice.

Prestazioni migliori

Tan ha studiato i materiali di nitruro di silicio e altri materiali CMOS per la loro non linearità per diversi anni. "Per (amorfo) carburo di silicio, avresti un miglioramento migliore quando lanciato come risonatore rispetto al nitruro ultra ricco di silicio, e ha anche un indice di rifrazione non lineare più elevato rispetto al nitruro di silicio stechiometrico, che è prolifico nell'ottica non lineare, "dice Tan.

Diversi tipi di assorbimento di fotoni noti come assorbimento a due e tre fotoni sono tipicamente presenti in questi dispositivi. In questo studio, Tan dice, la perdita era dominata dall'assorbimento di tre fotoni, che è un meccanismo di perdita non lineare relativamente debole, mentre l'assorbimento a due fotoni, che può essere un problema in molti materiali in silicio cristallino e silicio amorfo, fu soppresso.

Agarwal e Tan hanno iniziato a collaborare mentre Tan era uno studioso in visita al MIT da agosto 2013 ad agosto 2014. "Siamo stati molto fortunati ad essere accoppiati con il team del professor Tan, e abbiamo beneficiato molto di questa collaborazione, e continuiamo a collaborare, " Dice Agarwal. Il team di Agarwal ha precedentemente lavorato sull'utilizzo del carburo di silicio in un sensore per ambienti difficili.

Per i lavori in corso, il team di Singapore ha misurato le lunghezze d'onda aggiuntive della luce generata nel risonatore ad anello, un fenomeno chiamato allargamento spettrale, che è quantificato da un termine chiamato non linearità di Kerr. I ricercatori hanno scoperto che la non linearità Kerr del loro film di carburo di silicio è quasi 10 volte quella del carburo di silicio cristallino e amorfo precedentemente riportato.

"Con questo si vede un effetto di ampliamento spettrale, che possiamo sfruttare a nostro vantaggio perché ora invece di avere una sola frequenza, stiamo generando molte altre frequenze che possono fornire una fonte di luce super continua, "dice Agarwal.

Sviluppo entusiasmante

Professor David J. Moss, direttore del Centre for Micro-Photonics presso la Swinburne University of Technology in Australia, chi studia i materiali fotonici, dice, "Questo documento presenta nuovi risultati per il carburo di silicio amorfo come promettente piattaforma compatibile con CMOS per l'ottica non lineare, particolarmente focalizzata sull'importante finestra delle telecomunicazioni."

"Il raggiungimento di un'elevata non linearità Kerr, paragonabile al silicio cristallino, insieme a un assorbimento trascurabile di due fotoni, insieme a risonatori ad anello con fattore Q ad alto valore record (per carburo di silicio), è uno sviluppo entusiasmante nella continua ricerca di piattaforme sempre più efficienti per l'ottica non lineare a 1, 550 nanometri, "aggiunge Muschio, che non è stato coinvolto in questa ricerca.

Professore Associato Andrea Melloni, che dirige il Photonics Devices Group al Politecnico di Milano in Italia, dice, "Il SiC amorfo (carburo di silicio) depositato con PECVD è di grande interesse. L'indice di rifrazione è estremamente attraente (2,45 è un valore non comune) perché è abbastanza alto da consentire l'integrazione su larga scala, ma non alto quanto il silicio, minimizzando così i problemi associati all'altissimo indice di contrasto delle strutture SOI (silicon-on-insulator)." Melloni, che anche non hanno partecipato a questa ricerca, ha pubblicato un articolo lo scorso anno sulle guide d'onda fotoniche all'ossicarburo di silicio.

Guardando avanti, Ma spera di realizzare una guida d'onda in carburo di silicio più spessa per un insieme più ampio di applicazioni, ad esempio creando più lunghezze d'onda (multiplexing) all'interno della singola guida d'onda.

"Come prima dimostrazione di quello che abbiamo fatto insieme, Penso che sia una piattaforma molto promettente in cui se possiamo continuare a perfezionare la piattaforma e il design del dispositivo, Penso che probabilmente saremmo in grado di dimostrare un ottimo miglioramento del risonatore perché abbiamo dimostrato fattori di qualità molto buoni, " dice Tan. "Se volessimo fare qualcosa come un pettine di frequenza o un oscillatore parametrico ottico, la potenza di soglia diventa molto più piccola se il fattore di qualità è grande."

"Se questo lavoro può essere finanziato congiuntamente, allora possiamo pensare di realizzare una fonte di luce integrata, sensore e rivelatore, quindi ci sono molti entusiasmanti passi successivi in ​​questo, "dice Agarwal.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.