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微纳加工公司

本文作者将会分享一篇文章，关于碳化硅集成光子学，目前大家最熟悉的光子集成线路平台是基于SOI晶圆的硅光平台，基于SOI晶圆的硅光平台目前被广泛用于光模块中，除此之外，大家最熟悉的是基于薄膜铌酸锂的集成光子平台和基于氮化硅的集成光子平台。但是除此之外，科学家也在基于其他材料开发新的波导平台，比如碳化硅和氧化铝。

小编了解碳化硅在光学的应用基于一次很偶然的机会，有一位朋友提到测碳化硅的透过率，根据我们对碳化硅晶圆的产品，导电型的碳化硅是绿色的，在光学上的应用有限，但是半绝缘的碳化硅是透明的，因此有机会应用于光学。

因此这是引发我对碳化硅关注的一个起点，后续在看新闻的时候有关注到欧洲和美国部分研究单位对于碳化硅光子平台的介绍，同时恰巧有2-3个sic光学和pic相关话题，因此小编对此进行了一定的了解。

因此作为小编探索这块应用的一个小插题，小编也将文章分享到本文中。

分享本文的目的，是为了让我们一起对这个sic基pic平台有一个宏观的了解。有了宏观的了解，了解其细节将不会那么吃力。

本文主要讲述，该技术的优势，发展史及应用

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三代半导体——碳化硅材料在集成光子学领域发展迅速并获得广泛关注。当前碳化硅材料正逐渐发展为可与 CMOS工艺兼容的优异光子学材料平台。受益于高非线性系数和低光学损耗特性，碳化硅材料已广泛应用于多种片上非线性光学效应的实现，如高效二次谐波、快速电光调制和孤子光学频率梳产生等。同时与金刚石类似，碳化硅材料具有性能优异的二能级固体自旋色心，基于碳化硅色心与谐振腔的腔量子电动力学效应在近年来也得到广泛研究。综合近几年来国内外在碳化硅光子学上的研究现状，介绍碳化硅在集成非线性光学和集成量子 光学领域中的最新研究进展，并就碳化硅光子学的未来发展趋势进行展望和讨论。

当然，sic薄膜不仅仅被用于制造pic,也被用来制造超透镜

sic-pic

sic-超透镜

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本文引自中国科学院上海微系统所和中科大优秀的团队合作的文章，作者为王成立 ，蔡佳辰 ，周李平，伊艾伦，杨秉承 ，秦源浩 1，张加祥 ，欧欣 ，小编看到文章，学到很多，为了让老师的成果影响到更多的人，因此小编冒昧分享到这里。

同时，小编也和大家分享一下最近复杂的心情；

a.目前做超结构，透过光栅，PIC(氮化硅,Sic)等产品或者技术或者研究，设计的基础是基于各种材料，比如做超结构中的Tio2,Si3N4，,Alpha-si,HfO2,Ta2O5,SiO2,或者PIC中的Si3N4或者SiC等材料，我们的纸是我们沉积的薄膜，因此薄膜的质量就十分重要，但是加工工艺有很多，光学应用的薄膜最关注的参数则是薄膜的折射率，吸收系数等，不同工艺，不同厂家得到薄膜质量参差不齐，这样就会把老师整emo,为什么我的刻蚀工艺做的那么好了，设计的该注意的也注意到了，为什么我的结果那么差，完全没有别人文章里的那么好。

看过小编分享过的si3n4薄膜文章的朋友应该可以从si3n4身上看到一点原因，科学家为了降低si3n4的损耗，采用了多种lpcvd pecvd icppecvd pvd，同时改变沉积时的多种工艺参数（材料，气体等），再加上各种后处理工艺，最终得到了让人满意的成果，做pic和moe，优质的薄膜是第一步。

b.目前国内能够沉积多种薄膜的平台，其中有mems背景和光学背景的，mems在工艺和材料种类上比较擅长，但是部分平台会沉积薄膜 ，但是没有关注过薄膜的粗糙度，折射率和吸收等参数 ，因此会给客户造成一定的麻烦，随着目前光学的微纳加工需求越来越澎湃，这样的确不是很好。

c.目前国内微纳加工尤其是微纳结构的加工，以超结构的加工为例，多数超结构厂家以往的习惯是找大的流片厂做12寸的超结构流片，国内的科研院所习惯采用ebl方式加工超结构样品，但是12寸的大厂流片，面临着超高的流片成本，不利于企业经营，同时和大厂配合，效率较低，大厂的节奏，无法满足多样化的demo项目的高效进行。国内的科研院所用ebl可以得到相对较高的较高的精度，但是ebl具有高昂的成本，而且每次加工仅仅智能得到一个样品，产品较为脆弱且不利于多次测验。

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激光器芯片/探测器芯片/PIC芯片封装耦合服务"芯片类型:激光器/探测器/PIC芯片(硅光，铌酸锂，氮化硅)"封装形式:TO封装/BOX封装/蝶形封装/COB封装/PIC芯片封装"应用市场:光通信/激光雷达/量子通信/陀螺仪/生物传感/量子计算等其他，独特优势:封装技术人员具有10+年的封装经验，具有成熟的封装研发及量产经验，参与过多款铌酸锂、硅光，窄线宽激光器等产品的量产同时能够提供热仿真，光学仿真等技术支持，提供全套的封装解决方案。同时基于我们在业内10+年的行业经验，对于供应链，原材料(热沉，透镜棱镜，光纤阵列，陶瓷管壳等)的选型，采购，使用，具有极其成熟的经验，可以有效地解决封装过程中遇到的各种问题，大大降低试错成本。

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研究进展

不断更新迭代的信息传输和处理技术是现代社会 发展的重要驱动引擎。从 1966 年高锟提出超低损耗光纤的实现方案以来［1］，高速、大带宽、高容量光纤通信技术在全球范围内飞速发展。当前，依赖于微电子信息处理技术的集成电路产业已达到前所未有的速度和效率。然而，随着大数据、云计算、人工智能和量子计算等新一代信息技术的兴起，人们对信息传输和处理能力的要求在不断提升。目前仅依靠高密度集成和晶体管微缩来优化集成电路芯片信息处理速度的路径已经难以为继，许多替代性方案被提出。

在“后 摩尔时代”下的众多差异化发展路线 中，集成光子技术有望成为一种颠覆性技术。由于光子在质量和电荷等物理属性上的独特性，以光子为信息处理载体的集成光子技术在通信容量、传输速度、计算功耗和抗干扰性方面具有更大的优势，有望满足人们对下一代通信技术的性能要求 。自 1969 年集成光学的相关概念提出以来，集成光学已取得了长足的进步，许多光子集成芯片相关的制造路线也被相继提出［2-3］。集成光学技术与集成电路技术的发展具有显著的差异 ，光子集成制造路线的实现对材料平台特性有着更强的  依赖性，基于许多材料平台如硅［3］、III-V 族化合物［4］、二氧化硅［5］和铌酸锂［6］等的技术途径得到广泛研究，表1 列出了主要的几种光子平台的性能。

早期集成光子器件采用的材料平台是二氧化硅和  III-V族化合物［7］。二氧化硅集成光子器件继承了光纤的优良特性，具有极低的光学损耗和良好的耦合特性［5，8］。但是在进一步的发展中，二氧化硅材料因为折射率较低和多种光电特性缺失而逐步被认为不适用于大规模光子集成芯片的功能层中。当前，利用材料的低折射率、低光学损耗和工艺兼容特性，二氧化硅主要作为光学绝缘层用于集成光子器件中。III-V 族化合物为直接带隙半导体，具有较高的电致发光效率，故由III-V 族化合物制备的半导体激光器在光子学领域发挥着不可替代的作用［4，9］。如表 1所示，III-V族化合物具有高折射率、大的二阶和三阶非线性等特点，所以一直以来 III-V 族化合物作为集成光子平台备受科研界和产业界的关注。尽管III-V族半导体材料潜力巨大，其光学传播损耗相对较大（来源于带隙跃迁或者材料的非线性吸收）、透明窗口较窄和对先进制程要求更高的特点也造成了在实际应用的一些挑战［3］。

受益于集成电路中成熟的加工工艺 ，基于硅材料 的集成光子学在过去近三十年里已发展成为了集成光子 芯片的主要材料平台［3，10］。硅光子集成芯片主要通过绝缘体 上硅（SOI）衬底来实现［3］，SOI衬底可以在不增加额外成本的前提下兼容高度成熟的微电子制造工艺（即 CMOS兼容性），使得硅基光子学能够跟随集成

电路产业的脚步发展 。现如今，硅基光子集成芯片已  经具有完整的设计、代工和封测产业链。对于硅光子  SOI材料，供应商主要为 Soitec公司（法国）、新傲科技  公司（中 国）、信越公司（日本）等 。对于硅基光 电子芯  片 流 片，国外 厂商 主要包括IMEC 公 司（比利 时）、AMF公 司（新 加 坡）、AIMphotonics 公 司（美 国）、 VTT 公司（芬兰）、STMicroelectronics公司（瑞士）等；国内起步相对较晚，目前中国科学院微电子研究所现  已具备实现完整硅基光子集成芯片的流片能力，另外  中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中芯国际  等国内研究机构和企业仍在逐步进行硅光工艺线的搭  建和完善。现在硅基光电子芯片市场内的产品研发主  要布局在单片集成、光电模块封装和光耦合等方面，例  如：思科旗下 Acacia公司的可插拔光模块实现了除激  光器以外的单片光子集成和高成品率的光电封装［11- 12］；Intel公司利用键合技术而非复杂的封装工艺 直接对激光器和硅光子芯片进行片上集成，并且实现  了首个与以太网交换机共同封装的光模块［13］。上述这  类产品将在数据中心、激光雷达、光计算和传感领域有  着重要的实际应用［3］。尽管硅基光子学已经取得了显  著的成功，但以硅材料为功能层的集成光子芯片仍然  面临着一些来源于材料光电特性方面的困扰［3］，如硅  无法发光、硅材料光学损耗较大、缺乏本征二阶非线性  效应和Pockels效应等。

近年来 ，具有不同功能的光电材料平台被用于集成光子学研究，这些新兴材料包括具有优异电光效应的铁 电晶体铌酸锂［6］、具有低光学损耗的无定形介质氮化硅［14］等 。目前，绝缘体上铌酸锂（LNOI）被认为是最具有前景的集成光子平台之一，铌酸锂具有的丰富材料功能属性为LNOI在集成光子学中的应用提供了 广阔的空间［15- 17］。然而，铌酸锂在集成光子学 的实际应用中仍然存在一定的挑战 ，比如铌酸锂材料与CMOS工艺不兼容特性将导致光子芯片在大规模量产时成本较高［18］，且铌酸锂材料本身在功率耐受性、光 折变方面的表现给较高功率下的应用场景带来了不稳定 性［6，19］。氮化硅为片上实现超低损耗的集成光子学平台提供了一个极佳的方案 。 除了极低的光学损耗 ， 氮化硅也具有许多优异的非线性光子学特性 ，目前芯  片级的光学频率梳的研究主要是在氮化硅平台上发展而来 的［20-22］。但考虑到低损耗的氮化硅是非晶的介质薄 膜，其在某些功能性上（如二阶非线性系数、光源特性、电学调控性能等）尚有不足，因而在许多应用场景下通常需要采用氮化硅与铌酸锂、氮化铝等材料异质集成的方案来获得快速可重构功能。

从上述对集成光子学的材料平台介绍可知 ，光子集成化的道路与微电子领域存在显著差异。光子集成平台所需要的材料光电性能更为丰富，即一个理想的光子集成平台必须具备多个关键特性，包括低损耗、可集成 光 源 、电 光效应 、光 电探 测和大规模集成（与CMOS 兼容）等，然而 目前单一材料光子集成平台无法同时满足上述要求。对于集成光子学材料平台，窄带隙材料（通常为半导体，如硅、锗、III-V族材料等）折射率较大，材料属性赋予其光生伏特、电致发光等丰富的光电效应，同时也产生了光学吸收损耗大、透明窗口窄的问题，而宽带隙材料（通常为绝缘体，如氮化硅、氧化硅等）虽然具有极低的光学损耗，但是难以体现出明显的光电特性。出于平衡的意义考虑，采用宽禁带的半导体材料作为集成光子学平台是一种更为综合的方案，相关的研究在近年来备受关注［23］。作为宽禁带半导体 中 的代表性材料，碳化硅（SiC）长期 以来在 电力电子和射频功放等领域得到广泛使用，然而 目前碳化硅集成光子学方面的研究及相关产业化应用尚处于起始阶段。

相比于先前介绍的光子学材料平台 ，碳化硅具有相对综合的光电特性。首先，碳化硅广泛应用于高功率电子行业，其大尺寸晶圆材料制备工艺已发展成熟。其次，碳化硅的带隙为 2. 4~3. 2eV，对应于紫外到 中  红外光学宽透光窗 口（0. 37~5. 6μm）。其三，碳化硅  具有较大的二阶非线性系数（30pm/V）［24］，这使得在  碳化硅平台上实现高效的频率转换和低损耗的电光调制 成为可能，另外碳化硅大 的三 阶非线性系数（10~  18m2/W）也为片上光学频率梳 的产生提供 了基础。其四，碳化硅材料的微结构加工工艺可以与 CMOS技  术兼容，在降低加工成本的同时可以提升器件加工的效率和可靠性。其五，在量子光学领域，与金刚石的性  质 类 似［25］，碳 化 硅 中 具 有种类 丰 富 的 固 态 量 子 光源——色心，典型色心包括硅空位色心（单硅原子空  位）、双空位色心（碳原子空位与硅原子空位）和氮替位  硅空位色心（间隙式氮原子与硅原子空位）等，这些色心 具有优异的 自旋相干性质［26-27］，使得碳化硅能够成

为未来实现片上量子信息处理的重要平台［28］。上述非 线性光学和量子光学性质使碳化硅材料已发展成为极 具竞争性的集成光子学平台一 。 目前 ，碳化硅的优 异光电特性已经吸引了大量研究单位在碳化硅非线性 光子学 、碳化硅集成光量子学等领域开展丰富并系统 的研究［29］。

应用1- 碳化硅非线性光子学

碳化硅晶体具有很高的激光损伤阈值 、较宽的透  光范围、较大的二阶非线性光学系数、较大的折射率、高热导率及高化学稳定性等特点，在输出高功率、高光  束质量的中红外空间激光方面有着重要的应用价值。同时SiCOI为非线性光子学的研究和应用提供了良好  的材料平台。在基于 SiCOI的集成光子器件中，光子波 导［32］、回 音 壁模 微 腔［41- 42］和 光 子 晶 体 微 腔［42，50- 52］广 泛用于非线性光子学研究。对于实现高效的非线性频率 转换，增强光与物质的相互作用至关重要，故提高各类微腔的Q值是发展片上碳化硅集成非线性光子学的基础。如表 2所示，研磨减薄制备的4H-SiCOI薄膜在极低损耗的光子器件制备方面优越性显著，使得许多高效的非线性频率转换（如二阶非线性、三阶非线性和光学频率梳产生等）在SiCOI平台上得以实现。

3. 1  二次谐波频率转换

二次谐波产生是最经典的二阶非线性效应 ，该过程的产生机理如下。两个频率为ω 的光子在二阶非线性效应下会生成频率分量为 2ω 的二阶非线性极化强度，其电磁理论的波动方程、二阶非线性极化强度表达式及相应的平面波非线性耦合波方程为

∇ 2E(ω, z )+μ0ω2εE(ω, z )=-μ0ω2PNL(ω, z )，（1）

P(2ω, z )=2ε0χ2 (ω,ω )：E(ω, z)E*(ω,z)，（2）

dE ( 2ω , z )dz2 [χ2 (ω,ω )⋮a(2ω )a(ω )a(ω )]E2 (ω,z)eiΔkz，（3）

式中：χ2为二阶非线性系数；PNL为非线性极化强度；Δk为相位失配量；a为光场振动方向的单位矢量。可以看出二阶非线性极化强度能够进一步地产生频率为2ω的光子，即二次谐波。根据这个原理，碳化硅 中心非对称的晶格结构赋予了碳化硅较大的χ2（有效非线性光学数 d33=-13~-24pm/V），使其能被广泛地用于二次谐波的高效产生。最早关于碳化硅薄膜中二次谐波效应的研究是在 6H-SiCOI中进行的，Yamada等［53］制备了 Q值为 1×104 的L3型二维光子晶体微腔，在最大输入功率为 0.17mW时，二次谐波的转换效率  估计为 0.15W-1。该工作首次实现了在碳化硅微腔  中的二次谐波产生，但受限于 6H-SiCOI薄膜 中较大  的光学吸收损耗，所验证的二次谐波转换效率较低。2019年，同一课题组［38］对碳化硅的材料平台和光子晶  体的设计进行了改进，得到了超高 Q 值（6.3×105）的光子晶体微腔。该方案的成功一方面来源于对材料制备方法 的改进，即采用 了研磨减薄制备 的 4H-SiCOI薄膜（见第 2节的介绍），另一方面来源于对光子晶体  几何参数的设计优化。其中干法刻蚀碳化硅所形成的刻蚀侧壁角度约为 6°,造成了光子晶体在垂直方向上  的不对称性，在薄膜厚度较大时，这种不对称性使得准  TE模式向准TM模式耦合（TM未进行禁带设计），由此导致了所需要的准 TE基模的 Q值随着薄膜厚度的  增加而降低，而厚度太薄将导致光场的散射和泄露，故  光子晶体厚度的选择存在最佳值。另外，小模式体积的获得对高效非线性转换的实现也是至关重要的。在取得超高Q值的同时，由于碳化硅的高折射率特性，该  工作的光子晶体微腔还实现了很小的光场模式体积，约为 2.1(λ/n )3。利用光学显微镜可以直观地观察到  碳化硅光子晶体中的二次谐波产生过程，如图 4（b）所  示 。图 4（c）为光子 晶体 中产生 的二次谐波功率与泵  浦光功率的关系，其显示的转换效率达 19W-1，该值  是单个微腔所实现的最高谐波转换效率。

波导或基于回音壁模式的光学谐振器可用于实现 高效的非线性转换 ，因器件结构的特殊性而具有更优 良的可拓展性，但与光子晶体微腔不同的是，其高效非 线性频率转换需满足相位匹配条件。对于大多数单晶 材料，由于材料固有的色散，能量和动量之间的色散关系 呈现出非线性的特征，使得 自然的相位匹配条件很  难满足，通常通过对微腔几何结构进行调整（色散工程）来实现准相位匹配。Lukin 等［42］在高 Q 值微环谐振器  中通过对波导横截面尺寸进行调整，1555 nm 的准 TE  基模和777. 5 nm的准三阶TM模具有相同的有效折射率，进而实现了准相位匹配，如图4（e）所示。如图4（d）所示，由于基模与高阶模对应的微腔耦合条件不同，该工作分别针对基模与高阶模设计了不同耦合间距的波导-微腔耦合器，并且利用逆向设计对不同波段下片上到光纤的耦合进行了优化，最终实现了高达 3. 6 W-1的二次谐波转换效率。这项工作还在同一 4H-SiCOI平台展示了高亮度的单光子自旋色心，说明SiCOI平台兼具获得单光子发射源和实现单个光子高效非线性频率转换的潜力，这使得4H-SiCOI有望成为未来集成光量子学材料平台的主要候选者。此外通过进一步对二次谐波效率的优化，可以在碳化硅平台上进行单光子非线性转换实验的演示，这在最终实现量子光学和非线性光子学的单片集成应用方面是非常重要的。

图 4    SiCOI中的二次谐波产生［38，42］。（a）用于二次谐波产生的碳化硅二维光子晶体示意图；（b）光学显微镜拍摄的光子晶体，上图为InGaAs相机拍摄到的位于 1502. 58 nm 的基模，下图为 SiCCD 拍摄到的位于 751. 3 nm 的二次谐波产生；（c）光子晶体中输出 二次谐波功率与泵浦光功率的关系；（d）碳化硅微环谐振腔的SEM图；（e）微环中的相位匹配设计；（f）微环谐振腔中输出二次谐波功率与泵浦光功率的关系

3. 2    电光调制器

电光调制器是集成光子器件的重要构成之一 ，基于本征 电光效应（Pockels 效应，一般译为普克尔斯效应）的电光调制器可以完成电信号与光信号的高速相互转换，在光通信、光子计算等领域发挥着重要的作用 。在无反演中心的晶体中，二阶非线性效应的存在使得外加直流电场可以产生额外的极化分量。根据电位移矢量定义D=ε0E+P=ε0εeffE，相对介电常数εeff在本征电光效应下发生变化，且变化量与外加电场呈线性关系。然而受到晶体中心对称性的影响，许多集成光子学平台如非晶态材料氮化硅、二氧化硅，单元素材 料硅、金刚石等均不具有本征电光效应，这时便需要采 用异质集成或者其他非线性电光效应来补足所需的快 速可重构电光调制功能 。

Fan 等［55］在 3C-SiCOI上制备了跑道型调制器，首  次 在3C-碳 化 硅 上 验 证 了 电 光 调 制 性 能 ，实 现 了118V·cm的调制效率。随后，可在 913 kW/mm2光功率下工作的 3C-碳化硅高速电光调制器得到制备［54］，其调制速率可达 15Gbit/s。该调制器的整体结构和电 极结构 如 图5（e）和 图5（f）所 示，微环 的Q值 为8. 9×104，其 中 电极以 GSG的形式放置于 3C-碳化硅  波导的正上方，从而能够有效地利用 r41系数。通过对  电 场 与 光 场间 相 互 作 用的 优 化 ，该工作实现了  0. 11 pm/V 的调制效率，且驱动电压小于 2V，上述数值基本达到了可 CMOS驱动的标准。另外，对高速电光响应的表征显示出该电光调制器的响应带宽可以达到  7. 1   GHz，并  且  在高速率  的应  用场景（>5Gbit/s），驱动电压在降低至 1. 2 V 时调制器仍然保 持 良好的误码率（眼图 Q 因子>2. 7）。在高功率应  用场景下，基于铌酸锂的电光调制器虽然具有高效、高  速的调制特性，但是铌酸锂材料本身的光折变效应会导致其功率耐受性不佳。与铌酸锂相 比，CMOS兼容  的 3C-碳化硅调制器在高达 913 kW·mm-2的光强度下依然可以保持与低功率下相当的调制特性，如图 5（f）所示，表明了碳化硅电光调制器的优异功率耐受性。此外，碳化硅还具有高的热导率、大的杨氏模量、高的  莫氏硬度和高的击穿场强，因此碳化硅电光调制器在极端环境下 的应用将具有更加 明显 的优势 。CMOS兼容电光调制器的成功验证在碳化硅光子学发展过程中具有重要的意义，这为基于碳化硅平台的非线性器件和量子器件提供了可重构功能。

3. 3 光学频率梳

光学频率梳是一种在频率域上有着严格相等频率  间隔 的光源，因其光谱类似梳子而被称为“光频梳”。若光频梳内各个梳齿之间形成了相位锁定，那么光频梳在时域上则会呈现出在空间传播过程中波形不变的超短脉冲，其也被称为“孤子”。在精密测量、光谱学和  量子传感等领域，光频梳技术已经成为了一项重要的工具［59］。由于该技术的革命性影响，Hänsch 和 Hall两  位科学家因在光频梳技术发展中做出的重要贡献而分享了 2005 年的诺贝尔物理学奖［60］。随着过去十几年  间微纳加工技术的不断进步，研究人员已经成功地在芯 片级的平台上实现了光频梳技术［61-62］，并且低损耗微腔内克尔孤子光频梳现已经成为了集成光子领域的 一大研究热点，其基本原理可概括为三阶非线性效应下四波混频和光克尔效应的共同作用，即级联式的四波混频先在腔内产生频域宽谱光频梳，再利用光克尔效应产生的自相位调制来弥补群速度弥散导致的脉冲时域展宽，进而获得稳定形状的克尔孤子光频梳。这种基于微腔的孤子光频梳芯片不仅具有体积小、易集成的优势，而且还呈现出更低的功耗、更高的可靠性和更低的制造成本，这为光频梳技术在集成微波光子、多光源相干通信等片上集成系统的应用带来了巨大的机遇［59，63］。

随着高 Q 值（达到 106）碳化硅微腔的成功制备，在 碳化硅光学平台上产生光学频率梳的研究得到更深入的展开 。如 图 6（a）和 图 6（b）所示，Lukin 等［42］在研磨减薄的 4H-碳化硅平台 中陆续实现了参量振荡、宽谱光频梳［40］和孤子光频梳［49］的产生。由于碳化硅具有较大的热光效应（4. 67×10-5  K-1），该工作将碳化硅微腔放置于 4K低温 中来提高平台的热稳定性，进而获得片上孤子光频梳。通过对刻蚀工艺的改进，该工作可实现一个半径为100μm、波导横截 面 为1850nm× 500nm 的碳化硅微环腔，其 Q 值高达 5. 6×106 。与此 同时，参量振荡 的 阈值测量为 0. 51mW，孤子产生 的操作功率为 2. 3mW，这两项数值与铝镓砷和氮化硅平台上所测得的相关值处于同一水平 ，侧面验证了碳化硅平台在高效的光频梳产生方面的潜力。在高 Q值碳化硅微盘腔中，Wang 等［39，64- 65］在室温下利用双光束泵浦的方法成功地获得了碳化硅孤子光频梳，如图 6（c）所示，并且该工作中碳化硅孤子光频梳产生的动态过程及其噪声特性也被完整记录。另外，实际应用场景下的芯片级孤子光频梳技术还需考虑频谱宽度。图6（d）为在 4H-碳化硅 中获得的倍频光频梳［41］，其谱宽在高功率光（片上功率为 120mW）的泵浦下可以达到150THz。其中，通过对微环的几何结构进行控制，该微盘腔能够在短波处实现色散波（集成色散值为 0）产生，这对光频梳的展宽至关重要。然而该工作中倍频光频梳仍处于高噪声状态，故无法实现稳定的孤子传输，这可归因于高功率泵浦下的碳化硅微腔具有更强的热不稳定性。

图 5    SiCOI 电光调制器研究［54- 56］。（ a）4H-SiCOI 电光调制器结构；（b）微环腔的 Q 值和谐振峰随施加电压的调谐变化；（ c）3H-SiCOI 电光调制器结构；（d）跑道腔的 SEM 图和谐振峰随施加电压的调谐变化；（ e）3C-SiCOI 电光调制器结构；（f）3C-SiCOI 电光调制器在高光功率下的性能表征

与 产生光频梳 的主流氮化硅平台相 比，4H- 碳化硅同时具有很强的二阶和三阶非线性效应 ，该特性使得研究人员可以在碳化硅微腔中采用更加多样的设  计，实现高效的非线性频率转换，如可见光频梳的产生。目前，可见光波段的频率梳是将频率梳技术应用  在光学时钟、生物医学成像和光谱学等领域的关键，然  而在可集成材料平台上实现可见光频梳极具挑战性。Wang等［64］利用二次谐波效应，将 1550 nm近红外波段  的宽谱光学频率梳转换到可见光波段，形成可见光频梳，其原理和转换过程如图 7所示。首先，频率为fp的  近红外泵浦激光通过基于三阶χ3的参量振荡过程在微腔中产生以fp为中心的频率边带。当红外光频梳的功  率足够强时，通过二阶χ2的二次谐波和差频过程可生  成频率为 2fp附近的可见光频梳。与传统二次谐波实  验一致，转换效率依赖于红外波段和可见光波段内谐  振模式之间的相位匹配和模式匹配，这类转换过程也使得红外光频梳和可见光频梳均具有相同的光谱间距δ［即 自 由光谱范围（FSR）］。图 7（c）和图 7（d）为红外

图 6    4H-SiCOI中光学频率梳的产生［39，41-42，49］。（a）4H-SiCOI微环腔 SEM图；（b）碳化硅孤子光频梳的产生，其频谱对应于单孤子；（c）4H-SiCOI微盘腔 SEM图，双孤子和单孤子频谱，及其噪声特性分析；（d）用于倍频光学频率梳产生的 4H-SiCOI微环腔SEM 图和倍频光学频率梳光谱

光频梳向可见光频梳频率转换的具体过程。当初级梳  状线出现在近红外区时，在可见光区域会 同时出现 4个 梳 齿 ，各 个 梳齿具有相 同 的 频 率 间距（11-FSR，2. 29THz）。之后将泵浦激光进一步调谐至谐振模式  时会产生更多的梳齿并且主梳之间的间隙会逐渐得到填充，其频率间距为 1个FSR，最终密集的光频梳会在近红外波段和可见光波段中产生。该工作实现的可见光梳转换效率为 3. 3×10−4 %，其比先前AlN微环谐振器的数值大 1个数量级［66-67］。

4    碳化硅集成量子光子学

量子色心由半导体内部的原子级 、深能级结构的晶格缺陷构成，能级的跃迁使得色心能够实现单光子发射，是 目前有望用于大规模片上量子网络的主要光源之一。除单光子发射特性外，某些应用场景还要求量子色心 内部缺陷的能级间可 自旋操控，例如在二 能

级系统中施加特定频率的微波实现拉比振荡进而对电 子 自 旋态进行操控。因此，具备这类能级结构的色心  也被称为可相干操纵自旋色心。碳化硅是未来实现片  上量子信息处理的重要平台。与金刚石的性质类似，碳化硅中具有种类众多的固态量子光源，其中许多色  心的辐射波段位于近红外波段，具有长自旋相干时间、高精细度的优势［68］，结合其易于微纳加工和可大规模  集成的特性，碳化硅在可集成光量子领域具有重要的研究价值［28，69］。

碳 化硅 中硅空位色心（VSi）、双空位色心（DV）和 氮替位硅空位色心（NV）因性质优异而得到广泛研 究，图 8 为这 3 种色心的原子结构示意图，其中标注了发光峰位在光谱 中的大概位置。除这 3 种色心外，其他类型的色心如钒替位色心（V4+）、碳替位硅空位色心（CAV）等也得到深入研究。上述色心的性质各异，表3 列出了这些色心的主要性质 。十多年前，人们就通过光致发光和电子顺磁共振等手段发现了碳化硅中的 各种缺陷发光［26］，而近年来对碳化硅中量子色心的研究主要集中在获取色心的单点发射和利用腔量子耦合 效应调控色心发光的性质两个方面。

图 7    4H-SiCOI 中红外光频梳到可见光频梳频率转换［39，64- 65］。（ a）可见光频梳产生时的光学显微镜照片及转换原理示意图 ；（b）碳化硅可见光波段的 Q 值分析；（ c）红外光频梳到可见光频梳频率转换的具体过程

单点 的色心发光可以表现出单声子发射特性，在高精密磁力仪、量子通信与基础物理探索方面有着巨大的应用潜力。在碳化硅中第一个被观察到单点色心发光 的是 4H- 碳化硅 中 的 CAV［70］，通过调节 电子 辐照剂量和优化辐照后的退火温度可以控制 CAV 形 成 的密度，最终获得空 间上单个 CAV 色心 。如表 3所示，室温下，CAV 在 700nm附近具有很强 的发光亮度，其单个色心的饱和光学计数为 2×106   s-1，但是对于 目前 CAV的 自旋态，仍然无法实现有效 的光学探测磁共振（ODMR）测量，这极大地限制 了 CAV 在固体 自旋 电子学 中 的应用 。在可见光泵浦磁探测 的 色 心中 ，VSi   和DV是 研 究 得 最 为深入的色心种 类［27，68］。2011 年，Awschalom 课题组［71］报道了 4H-碳化 硅中的 DV 在室温下可以进行与金刚石中 NV 色心相类似 的自旋相干操控 的 内容，几年后 DV 和 VSi均被隔离成单个色心并进行 ODMR测量。VSi为碳化硅晶格 中一个 Si 原子丢失而形成 的点缺 陷，在其他 晶型如 6H- 、15R-碳化硅 中很常见，但在 3C晶型 中还未见报道。如图 8 所示，VSi在 4H-碳化硅 中存在两种化学环境不同的 k 和 h 格位，形成的带负电的 VSiZPL位于 862nm（V1）和 917nm（V2）。根据 ODMR 测量，V1 的零场分裂在 4MHz，V2的零场分裂在 70MHz，其中V2色心具有超高 20ms 的 自旋相干时间，饱和光学计数为 1×104   s-1。迄今为止，国际上 已经有大量关于 碳化硅中色心的量子性质及其相干操控的综述文 章［27，68］。

在 量子光学领域，将量子光源（如 固体色心、量子点等）与微腔集成可以极大增强光子与物质的相互作  用，从而对单个原子或光子状态进行高效调控，进而实  现量子信息的传递和存储［72］。腔量子电动力学中衡量  微腔中光场与物质增强作用的量为 Purcell 因子，相关  的 Purcell效应已经广泛地应用于色心-微腔体系的研  究 中［73］。2017 年，哈佛大学 的 Hu 研究组［30］将碳化硅  中的 V1与一维光子晶体集成，实现了 ZPL的 22 倍增  强。随后，斯坦福大学的研究者［42］在更高 Q 值的纳米  谐振腔 内进一步地将硅色心 V1   ZPL 增强 了 120 倍。如图 9（a）和图 9（b）所示，通过电子辐照能够在一维光子晶体中产生单个VSi，同时利用氮气冷凝的方式将腔模逐渐调谐至VSi的ZPL处，此时可以观察到色心发光  的增强效应，其发光寿命也被调控。图 9（d）~（f）展示  了与之类似的工作，其 中碳化硅 中的双空位 DV 被集  成到光子晶体微腔 中［50］，实现了 50倍的 Purcell增强，其光子计数达到 4. 60×105s-1，并且 ZPL与声子边带  的 比例 由约 5% 提高到了约 75%。 另外，对位于光子  晶体微腔 中 DV进行 ODMR测试的结果表明退相干  时间为 400ns，该值相 比于体块碳化硅 中 的 DV 色心  有所减小。

在利用微腔对色心光源进行耦合与操纵的实验  中，保持色心光源 的 自旋相关性是一个极大 的挑战，该挑战一方面来源于处于微腔 中 的色心 的 自旋环境相比于处于体块晶格中的色心环境有所劣化，另一方面源于在微腔内产生色心常常需要高能量的粒子进

行轰击 ，这导致了晶格质量受损，进而减短其内部色心 的相干操纵时 间 。为解决后者存在 的问题，Babin等［74］利用低能量（6keV）的氦离子，以 1×1011   cm-2  的  剂量在碳化硅悬空波导 中产生 VSi，其自旋相干特性  可 以被较好地保持，具体细节如 图10（a）~（c）所示，其 中处于波导腔 中 的 VSi  的自旋相干时间约为 1ms。另外，该工作还实现 了 VSi  电子自旋与两个核自旋 的  偶极耦合，如 图10（d）~（f）所示，其 中核自旋对 电子  自旋产生 的调制与共振测试一般使用 Carr-Purcell-    Meiboom-Gill（CPMG）自旋序列 。通过改变用于探  测 VSi  电子自旋 的微波序列 中聚焦脉冲 的数量，可 以  控制波导 内单个 VSi  电子 自旋 的两个核 的 自旋旋转，最终实现核 自旋的特定旋转（三个量子门），保真度高  达 98%。

将碳化硅色心应用在集成量子光学中的另一个难 点是色心的定位问题 。目前大多数色心是由一定能 量、一定剂量的粒子大面积辐照碳化硅表面产生的，分布具 有 随 机性［27，50，68］。基 于 色 心 与微 腔 相集 成 的应 用对色心的空间位置更为严格 ，其本质原因是需要让腔模与色心发光实现 良好的重叠。出于上述 目的，聚集  粒子束（如质子、硅离子等）和飞秒激光［75］被用于产生碳化硅色心的研究，该方法可以得到VSi。用于产生色心 的飞秒激光处于红外波段，能量为 8. 2~230nJ，因此在产生色心的同时将伴随着较为严重的晶格损伤，进而使得VSi发光携带背景荧光［75］。近期，哈佛大学的Hu研究组［76］利用紫外波段的纳米激光脉冲在碳化硅

图 9    4H-碳化硅中色心与微腔的集成［42，50］。（a）4H-碳化硅一维光子晶体 SEM图；（b）利用氮气冷凝对腔模进行调谐的过程；（c）VSi色心发光处于腔模中时的寿命测试；（d）4H-碳化硅一维光子晶体SEM图及其DV色心示意图；（e）DV发光与腔模耦合与未发

生耦合的光谱对比；（f）DV 色心处于微腔中的 ODMR 测量，图为拉比振荡中的退相干过程

图 10    4H-碳化硅波导中 VSi  的相干操控及其核 自旋共振操纵实验［74］。（a）He 离子注入产生色心示意图；（b）4H-碳化硅悬空波导的SEM图，插图为波导的模式分布仿真结果；（c）波导 中植入的 VSi的 自旋相干性；（d）波导 中耦合电子-核 自旋三重态的示意图；（ e）CPMG 序列测试核自旋对电子自旋产生的调制与共振作用；（f）Bloch 球中核自旋 N2 的操控演示

光子晶体中写入了单点 VSi色心，其对应的激光脉冲波长 为337. 1nm，脉 冲 长 度 为4ns，单个 脉 冲 能 量 为0. 4~0. 9μJ。与对 晶格轰击 电离产生色心 的方式不同，紫外脉冲能量能够跨越碳化硅的禁带，在晶格中提供电子- 空穴对，从而产生空位缺陷色心。图 11（a）为紫外脉冲作用于碳化硅光子晶体微腔的示意图和辐照前后的光谱图，可以观察到经过脉冲辐照后的光谱产生了清晰的 VSi的 h格位发光，并且仍然存在品质因子

保持不变的腔模 ，证明了辐照下光子晶体的晶格损伤较小 。图 11（b）为辐照产生的色心空间强度分布，VSi发光在腔模峰值处也达到最强，说明这类表面辐照产生了在腔模中心的色心，之后进一步增加激光脉冲辐 照密度和脉冲数会导致 VSi 发光寿命的增加和光谱线宽的展宽。综上，紫外纳秒脉冲能够原位、可寻址地产生高质量色心，这为未来构建基于碳化硅的片上集成光量子网络奠定了基础。

11    紫外脉冲在碳化硅微腔中定点形成色心［76］。（a）光子晶体微腔的示意图和紫外脉冲辐照前后的光谱图；（b）辐照产生色心的空间强度分布

5 总结与展望

碳化硅正在逐步成为极具竞争力的光子学平台 ，对碳化硅薄膜的制备技术、碳化硅在集成非线性光学和量子光学上的最新进展进行了介绍。在SiCOI制备工艺 中，研磨减薄方法制备 的 4H-SiCOI 具有更低 的损耗，但是仍未满足大规模集成光子芯片的制备过程中对均匀性的需求，因此未来能否进一步提高 SiCOI的均匀性是碳化硅光子学走向实际应用的一个关键因素。碳化硅的优势在于其很强的二阶和三阶非线性效应，这为实现微腔内高效率宽频谱的非线性频率转换提供了更加多样的设计方案，其中包括近期被验证的

碳化硅孤子光学频率梳。碳化硅的另一个核心优势在  于其同时具有性能优异的固体自旋色心和可大规模集成的潜力，但是 目前碳化硅集成量子光学的研究 尚处于对色心 自旋性质的优化表征和对色心-微腔耦合的  验证阶段。参考量子点、金刚石NV 色心的发展历程， 构建基于碳化硅色心自旋体系的固体量子存储与可拓展的量子网络是碳化硅集成量子光学的未来发展方向 。图 12 为对 SiCOI 在集成非线性光学和量子光学上的应用展望，其中光子晶体微腔和波导用于调控和优化色心的光学跃迁并进行 自旋相干操纵，微环谐振腔利用碳化硅的强二阶非线性对光源进行快速的片上调制和频率转换以对光源进行编码，并进一步地参与

到远程通信协议中。对于需要快速可重构功能的应用 场景，碳化硅光子平台也可以与其他功能薄膜（如铌酸锂、钛酸钡等）进行异质集成，以实现对片上量子态演化的快速调控。近年来，基于氮化铌材料的超导单光子探测器成功集成到片上平台，相关集成技术与SiCOI 相兼容 。沿用上述思路，SiCOI 平台可 以单片式地集成片上光源、频率转换元件、量子态调控元件和光 子 探 测元件 ，如 图12（b）所示 ，故可 以 预 见未来SiCOI平台将在集成光子芯片的研究和应用中发挥重要作用。

综上所述 ，碳化硅光子学的发展充满了机遇和挑战，其中诸如碳化硅非线性光学、碳化硅量子光学等领域仍存在着巨大的发展空间。另外碳化硅作为一种半导体材料，将基于碳化硅的 CMOS 电子器件与光子器件结合也是实现光电融合的一条可行路径，因此碳化硅在未来很可能成为电子学、经典光子学和量子光学相互交叉耦合的实现平台。

图 12    SiCOI 在集成非线性与量子光学上的应用展望［42，69，77］。（a）利用多个色心光源进行量子态测量，利用微环谐振器对色心光源进行频率转换与调控；（b）基于碳化硅的单片光子网络实现方案