上海微系统所在碳化硅异质集成材料与光子器件领域取得进展

图1. 论文信息（来源：Light: Science Applications）

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣团队与中国科学技术大学董春华团队、华东师范大学程亚团队以及深圳国际量子研究院刘骏秋团队合作，在硅基绝缘体上碳化硅（SiCOI）平台的微腔孤子光频梳方面取得了重要进展。研究团队在利用异质集成技术制备高Q值SiC光子微腔的基础上，采用双光束泵浦方式首次在室温下实现了SiC光学频率梳的锁模。同时，通过SiC本征的二阶非线性特性，实现了光频梳从红外到可见波段的转换,。相关研究成果以“Soliton Formation and Spectral Translation into Visible on CMOS-compatible 4H-silicon-carbide-on-insulator Platform”为题在线发表在最新一期国际顶级光学Light: Science Applications期刊上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-022-01042-w。

集成光子芯片有望为下一代超高速、超低功耗的信息技术带来变革性突破。光子集成主要包含光源的产生、传递、处理三个方面。近年来，一种特殊的光源——微腔光学频率梳，因其在精密测量、光谱学、相干通信领域的应用前景被广泛关注。光学频率梳技术于2005年获得诺贝尔物理学奖，在此后的十几年中，大量的研究工作致力于借助于成熟的微纳加工工艺在芯片级的平台上实现。

当前，硅、铌酸锂、III-V族、碳化硅、氮化硅、氮化铝等非线性光子薄膜平台先后被开发用于实现频率梳产生。其中，碳化硅（Silicon carbide，SiC）作为第三代半导体，除了在射频、功率电子和MEMS上有广泛的应用，其优良的光学特性也使得SiC非常适用于集成光子应用。SiC在光学损耗、二阶/三阶非线性系数、CMOS兼容特性以及量子色心方面具有较为综合的性能优势，长期以来倍受关注。然而，基于SiC平台产生频率梳的性能有限，国际上已有报道噪声态频率梳，以及4K低温下锁模频率梳。对于实际应用，室温下获得锁模的SiC光学频率梳更具意义。

图2. SiC光学频率梳频谱、噪声谱及其拍频谱

中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣课题组及其合作团队在前期对硅基异质集成高质量SiC薄膜优化的基础上，进一步在 SiC的微腔孤子光频梳方面取得了重要进展。研究团队采用了辅助光热补偿的方法，来达到SiC孤子的稳定产生，并实现了SiC平台的单孤子和多种孤子晶体的观测。同时，通过SiC本征的二阶非线性特性，在可见光波段生成具有同等频率间隔的光频梳，并对从红外到可见光频梳产生的动态过程进行了观测。研究团队基于SiC微腔实现的从红外到可见波段的频梳对未来拓宽光频梳技术在光谱学上的应用以及实现频梳的片上自参考锁定具有重要的意义。

本文共同第一作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣老师指导的博士生王成立、博士后伊艾伦，以及中国科学技术大学博士生李锦、华东师范大学方致伟副教授。刘骏秋教授、董春华教授、欧欣研究员为论文共同通讯作者。

该研究工作得到了基金委重大项目（62293520，62293521），国家重点研发计划项目（2022YFA1404600），上海市基础研究项目（22JC1403300）等的支持。

来源：中科院上海微系统所