Des chercheurs du MIT et de l'Université de technologie de Singapour (SUTD) ont démontré un résonateur à micro-anneau en carbure de silicium amorphe avec le facteur de qualité le plus élevé à ce jour. Le résonateur promet d'être utilisé comme source de lumière photonique sur puce à la longueur d'onde des télécommunications infrarouge de 1, 550 nanomètres.

La lumière du jour ordinaire passera par une fenêtre inchangée, dans un processus appelé transmission linéaire, mais la même lumière passant à travers un prisme se divisera en un arc-en-ciel de couleurs. De même dans les appareils photoniques, la lumière infrarouge d'un laser peut traverser de manière linéaire sans changer sa "couleur, " mais à haute intensité, la lumière peut présenter un comportement non linéaire, générer des couleurs supplémentaires, ou des longueurs d'onde. Par exemple, un seul laser jaune couplé à un dispositif photonique peut générer du bleu, vert, jaune, ou les couleurs oranges.

Des chercheurs dirigés par le chercheur scientifique du laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT, Anuradha M. Agarwal, ont fabriqué les résonateurs annulaires en carbure de silicium amorphe, et des chercheurs de SUTD dirigés par la professeure agrégée Dawn T.H. Tan a analysé les propriétés linéaires et non linéaires de l'appareil.

"Nous sommes en mesure de montrer un effet non linéaire supérieur d'un ordre de grandeur à celui mesuré auparavant dans l'un des substrats en carbure de silicium, " dit Agarwal.

Le facteur de qualité est une mesure de la force avec laquelle le résonateur produit des effets non linéaires. "Plus le facteur de qualité est grand, meilleur est l'effet non linéaire, " dit Tan, qui dirige le groupe des dispositifs et systèmes photoniques chez SUTD. "Alors dans ce cas, le facteur de qualité était assez bon. C'était en fait bien mieux que ce à quoi nous nous attendions."

Les résultats sont décrits dans un article, en couverture d'ACS Photonics, par Agarwal, Bronzer, Danhao Ma, étudiant diplômé en science des matériaux et ingénierie du MIT, et trois autres à Singapour et en Malaisie.

Avantage du résonateur

Une intensité lumineuse élevée est nécessaire pour déclencher des propriétés non linéaires pour les dispositifs photoniques, ce qui peut être réalisé soit en augmentant la puissance du laser, soit en utilisant un dispositif tel qu'un résonateur en anneau. "Un anneau permet cette haute intensité car il piège les photons pendant longtemps, " Agarwal explique. " De plus en plus de photons s'accumulent comme un crescendo et cela permet l'évaluation des propriétés optiques non linéaires. "

Comme un câble à fibre optique, qui transmet la lumière en enveloppant un matériau qui transporte la lumière à l'intérieur d'un matériau différent qui ne permettra pas à la lumière de le traverser, le résonateur annulaire en carbure de silicium amorphe et le guide d'ondes droit pour transporter la lumière infrarouge sont entourés d'une couche d'oxyde de silicium qui minimise la quantité de lumière pouvant s'échapper. Les indices de réfraction des différents matériaux déterminent à quel point ils fonctionnent ensemble en tant que couche de support et couche extérieure de protection.

"Nous essayons de créer ce genre de guide d'ondes à fibre optique sur puce, " explique Agarwal. " C'est donc comme une fibre, mais sur une puce, et donc ce dont nous avons besoin, c'est d'un noyau avec un indice (de réfraction) élevé et d'une gaine avec un indice faible. guide d'ondes.

Les chercheurs ont atteint le facteur de qualité record dans cette étude en utilisant le procédé chimique amélioré par plasma (PECVD) pour déposer le carbure de silicium, à une température qui est compatible avec le traitement des puces de silicium à semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire (CMOS), et développer un procédé pour modeler et graver le résonateur annulaire en carbure de silicium, qui est couplé à un guide d'ondes droit.

Surmonter les défis

L'étudiant diplômé du MIT Ma a surmonté plusieurs défis de traitement pour fabriquer le résonateur de haute qualité. Lorsque Ma a commencé à travailler sur des matériaux en carbure de silicium pour cette étude il y a environ trois ans, il n'y avait pas de recette existante sur la façon de graver un motif dans le matériau de carbure de silicium amorphe lorsqu'il est déposé sur un substrat de dioxyde de silicium. "Le carbure de silicium est un matériau très rigide et physiquement et chimiquement dur, donc, en d'autres termes, il est très difficile de l'enlever ou de le graver, " dit Maman.

Pour déposer et graver le guide d'onde en carbure de silicium sur de l'oxyde de silicium, Ma a d'abord utilisé la lithographie par faisceau d'électrons pour modeler les guides d'ondes et la gravure sèche d'ions réactifs pour éliminer l'excès de carbure de silicium. Mais ses premières tentatives en utilisant un masque à base de polymère typique n'ont pas fonctionné car le processus a enlevé plus de masque que de carbure de silicium. Maman a ensuite essayé un masque en métal, mais des joints de grains du masque reportés sur le carbure de silicium, laissant derrière eux des parois latérales rugueuses dans les guides d'ondes. La rugosité est indésirable car elle augmente la diffusion des photons et la perte de lumière. Pour résoudre le problème, Ma a développé une technique utilisant un masque à base de dioxyde de silicium pour la gravure ionique réactive. Au cours du développement du processus, Ma a travaillé en étroite collaboration avec Qingyang Du, un post-doctorant MIT, et Mark K. Mondol, directeur adjoint du laboratoire NanoStructures du laboratoire de recherche en électronique du MIT.

"Nous avons trouvé le bon type de chimie dans cette réaction et contrôlé les flux de gaz et le plasma, ou, en d'autres termes, les détails de la recette de transformation, " dit Ma. "Cette recette est vraiment sélective pour graver le carbure de silicium par rapport au dioxyde de silicium, ce qui nous a permis de façonner les dispositifs photoniques en carbure de silicium et d'avoir une paroi latérale de guide d'onde lisse, " dit Ma. La paroi latérale lisse est essentielle pour maintenir les signaux optiques dans le dispositif photonique, note-t-il.

Les principales sources de perte de lumière dans ces résonateurs sont l'absorption de photons dans le matériau annulaire et/ou la diffusion de photons causée par la rugosité des bords du dispositif annulaire. "Le traitement de Danhao a donné des parois latérales lisses, qui a permis une faible perte et un résonateur à facteur Q (qualité) élevé, " explique Agarwal.

"La beauté de ce matériau en carbure de silicium et de la technique que nous avons utilisée ici dans l'article est que le processus PECVD du carbure de silicium est un processus peu coûteux, standard dans l'industrie de la microélectronique sur silicium, " dit Maman, dont la concentration de recherche est la conception et l'ingénierie des matériaux pour la photonique intégrée. "L'utilisation des processus microélectroniques existants facilitera l'adoption du carbure de silicium dans les plates-formes photoniques et électroniques intégrées." Le PECVD et les processus de gravure par ions secs réactifs qu'il a utilisés ne nécessitent pas l'adaptation de réseau et d'autres exigences critiques de croissance épitaxiale sur silicium, et est indépendant du substrat, dit maman.

Meilleure performance

Tan a étudié les matériaux de nitrure de silicium et d'autres matériaux CMOS pour leur non-linéarité pendant plusieurs années. "Pour le carbure de silicium (amorphe), vous auriez une meilleure amélioration lorsqu'il est coulé en tant que résonateur par rapport au nitrure ultra-riche en silicium, et il a également un indice de réfraction non linéaire plus élevé que le nitrure de silicium stoechiométrique, qui est prolifique en optique non linéaire, " dit Tan.

Plusieurs types d'absorption de photons connus sous le nom d'absorption à deux photons et à trois photons sont généralement présents dans ces dispositifs. Dans cette étude, Tan dit, la perte était dominée par l'absorption à trois photons, qui est un mécanisme de perte non linéaire relativement faible, tandis que l'absorption à deux photons, ce qui peut être un problème dans de nombreux matériaux de silicium cristallin et de silicium amorphe, a été supprimée.

Agarwal et Tan ont commencé à collaborer alors que Tan était chercheur invité au MIT d'août 2013 à août 2014. "Nous avons eu la chance d'être jumelés avec l'équipe du professeur Tan, et nous avons beaucoup bénéficié de cette collaboration, et nous continuons à collaborer, " dit Agarwal. L'équipe d'Agarwal a précédemment travaillé sur l'utilisation du carbure de silicium dans un capteur pour les environnements difficiles.

Pour les travaux en cours, l'équipe de Singapour a mesuré les longueurs d'onde supplémentaires de la lumière générée dans le résonateur en anneau, un phénomène appelé élargissement spectral, qui est quantifié par un terme appelé non-linéarité de Kerr. Les chercheurs ont découvert que la non-linéarité Kerr de leur film de carbure de silicium était presque 10 fois supérieure à celle du carbure de silicium cristallin et amorphe précédemment signalé.

"Avec cela, vous voyez un effet d'élargissement spectral, que nous pouvons exploiter à notre avantage car maintenant, au lieu d'avoir une seule fréquence, nous générons plusieurs autres fréquences qui peuvent fournir une source de lumière super continue, " dit Agarwal.

Développement passionnant

Professeur David J. Moss, directeur du Center for Micro-Photonics de l'Université de technologie de Swinburne en Australie, qui étudie les matériaux photoniques, dit, "Cet article présente de nouveaux résultats pour le carbure de silicium amorphe en tant que plate-forme prometteuse compatible CMOS pour l'optique non linéaire, particulièrement concentré sur l'important créneau des télécommunications."

« L'obtention d'une non-linéarité Kerr élevée, comparable au silicium cristallin, ainsi que d'une absorption à deux photons négligeable, avec des résonateurs en anneau à facteur Q record (pour le carbure de silicium), est un développement passionnant dans la quête continue de plates-formes toujours plus efficaces pour l'optique non linéaire à 1, 550 nanomètres, " ajoute Moss, qui n'a pas participé à cette recherche.

Professeur agrégé Andrea Melloni, qui dirige le groupe Photonics Devices au Politecnico di Milano en Italie, dit, "Le SiC amorphe (carbure de silicium) déposé au PECVD est d'un grand intérêt. L'indice de réfraction est extrêmement attractif (2,45 n'est pas une valeur courante) car il est suffisamment élevé pour permettre une intégration à grande échelle, mais pas aussi haut que le silicium, minimisant ainsi les problèmes associés au contraste d'indice très élevé des structures SOI (silicium sur isolant). » Melloni, qui n'a pas non plus participé à cette recherche, a publié l'année dernière un article sur les guides d'ondes photoniques en oxycarbure de silicium.

Regarder vers l'avant, Ma espère fabriquer un guide d'ondes en carbure de silicium plus épais pour un ensemble plus large d'applications, par exemple, créant plus de longueurs d'onde (multiplexage) dans le guide d'ondes unique.

"Comme une première démonstration de ce que nous avons fait ensemble, Je pense que c'est une plate-forme très prometteuse où si nous pouvons continuer à affiner la conception de la plate-forme et de l'appareil, Je pense que nous serions probablement en mesure de démontrer une très bonne amélioration du résonateur parce que nous avons démontré de très bons facteurs de qualité, " dit Tan. " Si nous voulions faire quelque chose comme un peigne de fréquence ou un oscillateur paramétrique optique, la puissance de seuil devient beaucoup plus petite si le facteur de qualité est grand."

"Si ce travail peut être cofinancé, alors nous pouvons penser à faire une source de lumière intégrée, capteur et détecteur, il y a donc beaucoup de prochaines étapes passionnantes dans ce domaine, " dit Agarwal.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.