绝缘体上碳化硅(SiCOI)已成为一种有前景的平台,用于基于微共振腔的频率梳技术,得益于其卓越的光学特性——包括高折射率、宽透明窗口以及第二阶和第三阶光学非线性的共存。最近的实验展示了在集成微共振腔中高效的拉曼激光和频率梳产生。在这项工作中,我们报告了首次观察到在SiC集成微共振腔中生成斯托克斯孤子的现象。据我们所知,这是首次的观察结果。在1555.2 nm的TE10模式共振下,使用270 mW的片上功率进行泵浦,在一个具有36 μm半径、TE00模式质量因子为110万的4H-SiCOI微共振腔中,观察到在1769.2 nm的强斯托克斯信号,对应大约776 cm⁻¹的拉曼位移。当泵浦波长逐渐调谐到共振位置时,系统经历了一系列动态状态——从图灵模式过渡到混沌梳形状态,最终达到稳定的单孤子状态。泵浦激光器发挥了双重作用:它既作为斯托克斯梳生成的能量源,又在斯托克斯孤子形成过程中补偿热动力学效应。这些结果展示了SiCOI平台在向更长波长范围的低噪声频率转换方面的潜力,突显了其在中红外孤子梳生成和气体光谱应用中的潜力。#2:a向 bto外延片
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#3:C向 bto外延片
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文章名:Stokes soliton in integrated 4H-silicon-carbidemicroresonatorsADNAN ALI AFRIDI,1,† YONGSHENG WANG,1,† SHUANGYOU ZHANG,1 RUIXUAN WANG,2JINGWEI LI,2 QING LI,2 AND HAIYAN OU1,*
单位:Department of Electrical and Computer Engineering, Carnegie Mellon University, Pittsburgh, Pennsylvania 15213, USA
引言
具有卓越光学和非线性特性的集成光子平台的出现,已经彻底改变了基于微共振腔的频率梳技术,使其能够应用于从精密计量到高速电信等多个领域[1,2]。该领域的一个重要进展是发现了在芯片尺度光学微共振腔中存在的耗散性克尔孤子,这为开发低噪声、高功率效率的微型频率梳奠定了基础,这些频率梳适用于大规模生产和实际应用[3]。这些孤子可以表现为多种形式——例如呼吸孤子[4]、孤子晶体[5,6]、孤子分子[7,8]、暗孤子[9]、波克尔斯孤子[10]、暗亮孤子[11]、布里渊孤子[12,13]以及斯托克斯孤子[14]——每种形式都为电信、量子光子学及其他应用提供了独特的能力。
在推动这一进展的材料中,绝缘体上碳化硅(SiCOI)因其卓越的特性而脱颖而出:高折射率、从可见光到中红外的宽透明窗口,以及第二阶和第三阶光学非线性的共存[15–20]。在不同的SiC多晶型中,4H-SiC吸引了最多的工程研究,并显示出最低的传播损耗。这使得4H-SiCOI成为一个卓越的线性和非线性光子器件平台[21,22],支持如超连续谱生成[23]、二次和三次谐波生成[24,25]、拉曼激光和频率梳生成[25,26]以及跨八倍频率梳生成[27]等过程。此外,SiC显著的拉曼效应与克尔非线性的相互作用使得高效的光谱转换成为可能,可以将梳形光谱移到宽波长范围内[26,28],这一特性对于相干波长分复用、中红外传感以及其他先进光子学系统至关重要。尽管取得了这些进展,但斯托克斯孤子——一种由拉曼散射驱动的孤子——在SiC光子学中直到现在仍未被观察到。
在这项工作中,我们报告了首次在4H-SiCOI微共振腔中生成斯托克斯孤子的实验。利用一个高质量因子(Q)的共振腔,半径为36 μm,质量因子为110万,在约1555.2 nm处泵浦,片上功率为270 mW,我们观察到在1769.2 nm处出现强的斯托克斯信号,对应约776 cm⁻¹(约23 THz)的拉曼位移。当泵浦波长从蓝移侧渐进地调谐到共振位置时,系统经历了不同的动态状态——从图灵模式到混沌梳形状态,最终达到稳定的单孤子状态。值得注意的是,斯托克斯孤子的生成是由泵浦激光器本身热稳定化的。这些结果不仅加深了我们对SiCOI微共振腔中非线性动力学的理解,而且突显了它们在生成宽带、跨八倍频率梳和实现光谱转换方面的潜力,为下一代光子技术铺平了道路。
实验结果
图1(a)展示了本研究中使用的4H-SiCOI微共振腔的照片,半径为36 μm,波导宽度为1.5 μm,厚度为630 nm。制造细节在我们之前的出版物中已有描述[26]。图1(b)展示了该共振腔的传输谱,揭示了两种横电(TE)模式族。传输谱显示,TE基模和高阶模式的自由光谱范围(FSR)分别约为491 GHz和456 GHz。基模具有110万的内在质量因子(Qint)。然而,由于拉曼激光所需的相位匹配条件,选择了1555.2 nm处的高阶模式来生成斯托克斯孤子(详见下文讨论)。如图1(c)所示,高阶模式的加载质量因子(Q)约为10万,内在质量因子为40万。图1(d)展示了集成色散Dint,表明两种模式都处于反常色散区域
图1. (a) SiC微环共振腔的显微镜图像。
(b) TE极化的传输谱。基模用棕色标记,高阶模式用蓝色标记。
(c) 1555.2 nm附近高阶模式的质量因子。
(d) 空心圆表示在1553.4 nm(TE00模式)和1555.2 nm(TE10模式)中心模式下测量的两种模式的集成色散(Dint/2π)。实线是色散的二次拟合线。拟合的D2/2π分别为46.8 MHz(TE00)和174.9 MHz(TE10)。
图2. (a) 实验 setup。
(b) 当泵浦基模为1553.4 nm时,通过光谱分析仪(OSA)捕获的克尔梳形光谱。
(c) 当泵浦高阶模式为1555.2 nm时捕获的拉曼激光。
斯托克斯信号在1769.2 nm处有一个峰值,对应约776 cm⁻¹的拉曼位移,与E2 TO声子相关[29]。图3. (a) 拉曼孤子形成。顶部、中部和底部面板分别表示图灵模式、混沌梳形状态和单孤子状态。
(b) 示波器记录的泵浦传输,扫描泵浦波长在1555.2 nm附近。插图显示了阶梯状结构,表示过渡到孤子状态。
(c) 混沌状态和单孤子状态的射频(RF)光谱,分别用红色和绿色表示。黑色轨迹代表背景噪声。
(d) TE10模式与TE00模式之间的相位匹配配置。TE00模式为红色,TE10模式为蓝色。高斯分布表示约120 GHz的拉曼增益宽度。图2(a)展示了实验 setup。一个可调的连续波(CW)二极管激光器作为泵浦源,由任意函数发生器(AFG)控制。光通过掺铒光纤放大器(EDFA)放大,并使用光纤偏振控制器调整偏振后耦合到共振腔中。光通过一对带透镜的光纤耦合进出芯片。输出通过光谱分析仪(OSA)进行分析,并通过光二极管(PD)监测,以评估生成的微梳的相干性,使用示波器(OSC)和电光谱分析仪(ESA)进行监测。泵浦激光频率从共振的蓝移侧调谐到共振腔模式。图2(b)和图2(c)分别展示了泵浦基模1553.4 nm和高阶模式1555.2 nm时的光谱,片上功率为270 mW。
对于基模,高质量因子有助于有效地将能量转换为邻近的四波混频梳[见图2(b)]。然而,未观察到斯托克斯信号,表明该泵浦模式下没有高Q模式与拉曼增益谱重合。
相比之下,泵浦高阶模式在1769.2 nm处产生了强的斯托克斯信号[29],对应776 cm⁻¹的拉曼位移,表明高Q共振腔模式(斯托克斯共振)的频率与拉曼增益谱一致[26,29]。这个模式被识别为基本的TE00模式(详见下一段),具有反常色散(D2/2π = 66.7 MHz),通过从C-L波段光谱测量中外推的二次多项式拟合确定。当泵浦波长进一步调谐到共振位置时,我们观察到斯托克斯波段中的梳形光谱生成,系统经历了不同的梳形状态:从图灵模式[图3(a)顶部面板]到混沌状态[图3(a)中间面板],最终到单孤子状态[图3(a)底部面板]。单孤子光谱展示了平滑的、sech²型包络(红线)。值得注意的是,斯托克斯孤子显示出高能量效率,斯托克斯信号与相邻梳形线之间的功率差为12 dB。
除了光谱测量外,泵浦传输和这些梳形状态的强度噪声通过一个带宽为25 MHz、响应波长范围为900–2600 nm的快速光二极管进行监测。图3(b)展示了当扫描泵浦激光频率从共振的蓝移侧到红移侧时的传输,用示波器记录。红色圆圈标出了进入孤子状态的过渡时刻,该状态展示了宽广的存在范围,使斯托克斯孤子可以进行绝热访问。
图3(c)展示了混沌状态[图3(a)中间面板]和单孤子状态[图3(a)底部面板]的射频(RF)光谱。混沌状态的射频光谱显示出高噪声,表明其为非相干状态。相比之下,单孤子状态的射频光谱确认了低噪声、相干状态。图3(c)中的黑色轨迹代表了测量系统的背景噪声。与混沌梳形状态相比,孤子状态在低频范围内特别显示出更平坦和更低的噪声水平。
斯托克斯孤子表现出大约488.2 GHz的重复率,略低于在1553.4 nm测得的基模TE00模式的自由光谱范围(FSR)(491 GHz)。考虑到TE00和TE10模式族都显示出反常色散,并且1555.2 nm处TE10模式的FSR大约为456 GHz,远小于斯托克斯孤子的重复率,我们确认斯托克斯模式对应于基模TE00模式。这表明,斯托克斯孤子的生成是通过模式间的相互作用发生的。图3(d)展示了不同泵浦模式的相位匹配配置。当泵浦1555.2 nm处的TE10模式时,基模TE00模式与SiC拉曼增益谱对准,从而实现斯托克斯激光和梳形光谱生成。然而,由于4H-SiC的拉曼增益带宽有限(约120 GHz)[26],只有一个高Q的基模与拉曼增益谱重叠。因此,当泵浦1553.4 nm处的TE00模式时,如图2(b)所示,由于相位不匹配,未发生斯托克斯激光,TE00共振间隔与拉曼位移之间存在2 nm的偏移,如图3(d)中红色虚线所示。即使TE10模式与拉曼增益谱重合,并与1553.4 nm处的TE00模式实现相位匹配,其较低的Q值也会导致较高的阈值功率(38.8 mW),与泵浦波长附近的四波混频过程(11.5 mW)相比更高。这解释了为什么在泵浦TE00模式时没有观察到斯托克斯信号,如图2(b)所示。图4. 斯托克斯梳形光谱形成示意图。
(a) 拉曼激光状态。
(b) 图灵模式。
(c) 混沌梳形状态。
(d) 单孤子状态。
泵浦激光有效地补偿了热效应,同时从其共振状态上蓝移[32]。传统的微共振腔孤子生成通常需要克服不利的热效应以进入孤子状态,通常需要使用诸如快速泵浦功率或频率控制[30,31],或者使用辅助激光[32,33]等专门的技术。相比之下,本研究中展示的斯托克斯孤子通过缓慢调谐泵浦激光频率以绝热方式进入,而无需这些先进方法。图4展示了斯托克斯孤子生成的理论框架。当泵浦激光频率从蓝移侧扫描到高阶模式共振(1555.2 nm处)时,腔内泵浦功率逐渐积累。当拉曼增益谱与高Q共振腔模式重合并超过腔损失时,斯托克斯信号在776 cm⁻¹的拉曼位移处出现,对应1769.24 nm,如图4(a)所示。进一步将泵浦频率调谐至共振位置,增加腔内泵浦功率,放大斯托克斯信号并产生图灵模式,表明斯托克斯信号位于其共振的蓝移侧,如图4(b)所示。当泵浦激光频率调谐得更接近共振时,斯托克斯信号向红移方向移动,减少与斯托克斯共振的频率失调,转变为混沌梳形状态,如图4(c)所示。继续将泵浦频率调谐到红移侧时,斯托克斯信号越过其共振的红移侧,最终进入稳定的孤子状态,如图4(d)所示。当进入孤子状态时,斯托克斯信号的红移会减少其腔内功率。这种减少会使泵浦频率的腔共振蓝移,增加泵浦功率并保持大致恒定的总腔内功率。这个反馈机制使斯托克斯孤子状态能够实现绝热访问。这些梳形动态在使用辅助激光时得到观测。
结论
在本文中,我们报告了首次在4H-SiCOI微共振腔中实现斯托克斯孤子的实验演示,这标志着SiC基非线性光子学的一个重要进展。通过利用一个具有36 μm半径的高Q共振腔,在1555.2 nm处以270 mW的片上功率进行泵浦,我们观察到在1769.2 nm处产生了强的斯托克斯信号,对应于776 cm⁻¹的拉曼位移。通过将泵浦激光绝热调谐至共振,系统经历了从图灵模式到混沌梳形状态,最终进入稳定的单孤子状态,且无需使用专门的技术来减轻热效应。通过理论分析、光学和射频光谱分析,确认了系统从高噪声状态到相干梳形状态的演变。这些发现突显了SiCOI在生成宽带、跨八倍频率梳以及实现光谱转换方面的潜力,为电信、精密计量和中红外传感等应用铺平了道路。