中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所歐欣團隊與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)董春華團隊、華東師范大學(xué)程亞團隊以及深圳國際量子研究院劉駿秋團隊合作，在硅基絕緣體上碳化硅（SiCOI）平臺的微腔孤子光頻梳方面取得了重要進(jìn)展。研究團隊在利用異質(zhì)集成技術(shù)制備高Q值SiC光子微腔的基礎上，采用雙光束泵浦方式首次在室溫下實(shí)現了SiC光學(xué)頻率梳的鎖模。同時(shí)，通過(guò)SiC本征的二階非線(xiàn)性特性，實(shí)現了光頻梳從紅外到可見(jiàn)波段的轉換,。相關(guān)研究成果以“Soliton Formation and Spectral Translation into Visible on CMOS-compatible 4H-silicon-carbide-on-insulator Platform”為題在線(xiàn)發(fā)表在最新一期國際頂級光學(xué)Light: Science & Applications期刊上。
集成光子芯片有望為下一代超高速、超低功耗的信息技術(shù)帶來(lái)變革性突破。光子集成主要包含光源的產(chǎn)生、傳遞、處理三個(gè)方面。近年來(lái)，一種特殊的光源——微腔光學(xué)頻率梳，因其在精密測量、光譜學(xué)、相干通信領(lǐng)域的應用前景被廣泛關(guān)注。光學(xué)頻率梳技術(shù)于2005年獲得諾貝爾物理學(xué)獎，在此后的十幾年中，大量的研究工作致力于借助于成熟的微納加工工藝在芯片級的平臺上實(shí)現。
當前，硅、鈮酸鋰、III-V族、碳化硅、氮化硅、氮化鋁等非線(xiàn)性光子薄膜平臺先后被開(kāi)發(fā)用于實(shí)現頻率梳產(chǎn)生。其中，碳化硅（Silicon carbide，SiC）作為第三代半導體，除了在射頻、功率電子和MEMS上有廣泛的應用，其優(yōu)良的光學(xué)特性也使得SiC非常適用于集成光子應用。SiC在光學(xué)損耗、二階/三階非線(xiàn)性系數、CMOS兼容特性以及量子色心方面具有較為綜合的性能優(yōu)勢，長(cháng)期以來(lái)倍受關(guān)注。然而，基于SiC平臺產(chǎn)生頻率梳的性能有限，國際上已有報道噪聲態(tài)頻率梳，以及4K低溫下鎖模頻率梳。對于實(shí)際應用，室溫下獲得鎖模的SiC光學(xué)頻率梳更具意義。
圖 SiC光學(xué)頻率梳頻譜、噪聲譜及其拍頻譜
中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所歐欣課題組及其合作團隊在前期對硅基異質(zhì)集成高質(zhì)量SiC薄膜優(yōu)化的基礎上，進(jìn)一步在 SiC的微腔孤子光頻梳方面取得了重要進(jìn)展。研究團隊采用了輔助光熱補償的方法，來(lái)達到SiC孤子的穩定產(chǎn)生，并實(shí)現了SiC平臺的單孤子和多種孤子晶體的觀(guān)測。同時(shí)，通過(guò)SiC本征的二階非線(xiàn)性特性，在可見(jiàn)光波段生成具有同等頻率間隔的光頻梳，并對從紅外到可見(jiàn)光頻梳產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了觀(guān)測。研究團隊基于SiC微腔實(shí)現的從紅外到可見(jiàn)波段的頻梳對未來(lái)拓寬光頻梳技術(shù)在光譜學(xué)上的應用以及實(shí)現頻梳的片上自參考鎖定具有重要的意義。
本文共同第一作者為中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所歐欣老師指導的博士生王成立、博士后伊艾倫，以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生李錦、華東師范大學(xué)方致偉副教授。劉駿秋教授、董春華教授、歐欣研究員為論文共同通訊作者。
該研究工作得到了基金委重大項目（62293520，62293521），國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（2022YFA1404600），上海市基礎研究項目（22JC1403300）等的支持。
