p Pesquisadores do MIT e da Universidade de Tecnologia de Cingapura (SUTD) demonstraram um microrressonador de anel feito de carboneto de silício amorfo com o maior fator de qualidade até hoje. O ressonador promete ser usado como uma fonte de luz fotônica no chip no comprimento de onda infravermelho de telecomunicação 1, 550 nanômetros. p A luz do dia comum passará por uma janela inalterada, em um processo chamado transmissão linear, mas a mesma luz que passa por um prisma se dividirá em um arco-íris de cores. Da mesma forma em dispositivos fotônicos, a luz infravermelha de um laser pode passar de forma linear sem alterar sua "cor, "mas em alta intensidade, a luz pode exibir um comportamento não linear, gerando cores adicionais, ou comprimentos de onda. Por exemplo, um único laser amarelo acoplado a um dispositivo fotônico pode gerar azul, verde, amarelo, ou cores laranja.

p Pesquisadores liderados pelo MIT Materials Research Laboratory Research Scientist Anuradha M. Agarwal fabricou os ressonadores de anel de carboneto de silício amorfo, e pesquisadores do SUTD liderados pelo Professor Associado Dawn T.H. Tan analisou as propriedades lineares e não lineares do dispositivo.

p "Somos capazes de mostrar um efeito não linear de ordem de magnitude maior do que medido antes em qualquer um dos substratos de carboneto de silício, "Agarwal diz.

p O fator de qualidade é uma medida de quão fortemente o ressonador produz efeitos não lineares. "Quanto maior o fator de qualidade, melhor o efeito não linear, "diz Tan, que lidera o Grupo de Dispositivos e Sistemas Fotônicos no SUTD. "Então, neste caso, o fator de qualidade era muito bom. Na verdade, foi muito melhor do que esperávamos. "

p As descobertas são descritas em um artigo, destaque na capa da ACS Photonics, por Agarwal, Bronzeado, Danhao Ma, estudante de graduação em ciência e engenharia de materiais do MIT, e três outros em Cingapura e Malásia.

p Vantagem do ressonador

p Alta intensidade de luz é necessária para acionar propriedades não lineares para dispositivos fotônicos, o que pode ser alcançado aumentando a potência do laser ou usando um dispositivo como um ressonador de anel. "Um anel permite essa alta intensidade porque prende os fótons por um longo tempo, "Agarwal explica." Mais e mais fótons se acumulam como um crescendo e isso permite a avaliação de propriedades ópticas não lineares. "

p Como um cabo de fibra ótica, que transmite luz ao envolver um material que carrega a luz dentro de um material diferente que não permite que a luz passe por ele, o ressonador de anel de carboneto de silício amorfo e o guia de onda direto para transportar a luz infravermelha são circundados por uma camada de óxido de silício que minimiza a quantidade de luz que pode escapar. Os índices de refração de diferentes materiais determinam o quão bem eles funcionam juntos como a camada portadora e a camada externa protetora.

p "Estamos tentando criar esse tipo de guia de onda de fibra óptica no chip, "Agarwal explica." Então, é como uma fibra, mas em um chip, e, portanto, o que precisamos é de um núcleo com um alto índice (de refração) e um revestimento com um índice baixo. guia de ondas.

p Os pesquisadores alcançaram o fator de qualidade recorde neste estudo usando o processo químico aprimorado por plasma (PECVD) para depositar o carboneto de silício, a uma temperatura compatível com o processamento de chip de silício semicondutor de óxido de metal complementar (CMOS), e desenvolver um método para padronizar e gravar o ressonador de anel de carboneto de silício, que é acoplado a um guia de ondas reto.

p Superando desafios

p Ma superou vários desafios de processamento para fazer o ressonador de alta qualidade. Quando Ma começou a trabalhar em materiais de carboneto de silício para este estudo, há cerca de três anos, não havia receita existente para gravar um padrão no material de carboneto de silício amorfo quando ele é depositado em um substrato de dióxido de silício. "O carboneto de silício é um material muito rígido e física e quimicamente duro, tão, em outras palavras, é muito difícil ser removido ou gravado, "Ma diz.

p Para depositar e gravar o guia de onda de carboneto de silício em óxido de silício, Ma usou pela primeira vez a litografia de feixe de elétrons para padronizar os guias de onda e o ataque químico a seco de íons reativos para remover o excesso de carboneto de silício. Mas suas primeiras tentativas de usar uma máscara típica à base de polímero não funcionaram porque o processo removeu mais a máscara do que o carboneto de silício. Ma então tentou uma máscara de metal, mas os limites de grão da máscara transportados para o carboneto de silício, deixando para trás paredes laterais ásperas nos guias de ondas. A aspereza é indesejável porque aumenta o espalhamento de fótons e a perda de luz. Para resolver o problema, Ma desenvolveu uma técnica usando uma máscara à base de dióxido de silício para o ataque de íon reativo. Durante o desenvolvimento do processo, Ma trabalhou em estreita colaboração com Qingyang Du, um pós-doutorado no MIT, e Mark K. Mondol, diretor assistente do Laboratório de Nanoestruturas no Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT.

p "Nós descobrimos o tipo certo de química nesta reação e controlamos os fluxos de gás e o plasma, ou, em outras palavras, os detalhes da receita de processamento, "Ma diz." Esta receita é realmente seletiva para gravar carboneto de silício em comparação com dióxido de silício, o que tornou possível para nós moldar os dispositivos fotônicos de carboneto de silício e ter uma parede lateral de guia de onda lisa, "Ma diz. A parede lateral lisa é crítica para manter os sinais ópticos no dispositivo fotônico, ele observa.

p As principais fontes de perda de luz nesses ressonadores são a absorção de fótons no material do anel e / ou o espalhamento de fótons causado pela rugosidade da borda do dispositivo de anel. "O processamento de Danhao produziu paredes laterais lisas, que permitiu baixa perda e um ressonador de fator Q (qualidade) alto, "Agarwal explica.

p "A beleza desse material de carboneto de silício e a técnica que usamos aqui no artigo é que o processo PECVD do carboneto de silício é um processo barato, padrão na indústria de microeletrônica de silício, "diz Ma, cuja concentração de pesquisa é design de materiais e engenharia para fotônica integrada. "O uso dos processos de microeletrônica existentes facilitará a adoção do carboneto de silício nas plataformas fotônicas e eletrônicas integradas." O PECVD e os processos de corrosão de íon seco reativo que ele usou não exigem a correspondência de rede e outras demandas críticas de crescimento epitaxial em silício, e é agnóstico de substrato, Ma diz.

p Melhor performance

p Tan estudou materiais de nitreto de silício e outros materiais CMOS por sua não linearidade por vários anos. "Para carboneto de silício (amorfo), você teria um melhor aprimoramento quando fundido como um ressonador em comparação com nitreto ultra-rico em silício, e também tem um índice de refração não linear mais alto do que o nitreto de silício estequiométrico, que é prolífico em óptica não linear, "Tan diz.

p Vários tipos de absorção de fótons, conhecidos como absorção de dois e três fótons, estão normalmente presentes nesses dispositivos. Neste estudo, Tan diz, a perda foi dominada pela absorção de três fótons, que é um mecanismo de perda não linear relativamente fraco, enquanto a absorção de dois fótons, que pode ser um problema em muitos materiais de silício cristalino e silício amorfo, foi suprimido.

p Agarwal e Tan começaram a colaborar enquanto Tan era um pesquisador visitante no MIT de agosto de 2013 a agosto de 2014. "Tivemos muita sorte de fazer parte da equipe do Professor Tan, e nos beneficiamos muito com essa colaboração, e continuamos a colaborar, "Agarwal diz. A equipe de Agarwal trabalhou anteriormente no uso de carboneto de silício em um sensor para ambientes hostis.

p Para o trabalho atual, a equipe de Cingapura mediu os comprimentos de onda adicionais de luz gerados no ressonador de anel - um fenômeno chamado de alargamento espectral, que é quantificado por um termo denominado não linearidade de Kerr. Os pesquisadores descobriram que a não linearidade de Kerr de seu filme de carboneto de silício é quase 10 vezes maior que a do carboneto de silício amorfo e cristalino relatado anteriormente.

p "Com isso, você vê um efeito de ampliação espectral, que podemos aproveitar a nosso favor porque agora, em vez de ter apenas uma frequência, estamos gerando várias outras frequências que podem fornecer uma fonte de luz super contínua, "Agarwal diz.

p Desenvolvimento emocionante

p Professor David J. Moss, diretor do Centro de Micro-Fotônica da Swinburne University of Technology na Austrália, que estuda materiais fotônicos, diz, "Este artigo apresenta novos resultados para o carboneto de silício amorfo como uma plataforma compatível com CMOS promissora para óptica não linear, particularmente focado na importante janela de telecomunicações. "

p "A obtenção de uma alta não linearidade de Kerr - comparável ao silício cristalino - junto com uma absorção insignificante de dois fótons, junto com ressonadores de anel de fator Q recorde (para carboneto de silício), é um desenvolvimento empolgante na busca contínua por plataformas cada vez mais eficientes para óptica não linear em 1, 550 nanômetros, "acrescenta Moss, que não esteve envolvido nesta pesquisa.

p Professora Associada Andrea Melloni, que dirige o Grupo de Dispositivos Fotônicos no Politecnico di Milano, na Itália, diz, "O SiC amorfo (carboneto de silício) depositado com PECVD é de grande interesse. O índice de refração é extremamente atraente (2,45 não é um valor comum) porque é alto o suficiente para permitir integração em grande escala, mas não tão alto quanto o silício, minimizando, assim, os problemas associados ao alto índice de contraste de estruturas SOI (silício sobre isolante). "Melloni, que também não participaram desta pesquisa, publicou um artigo no ano passado sobre Silicon Oxycarbide Photonic Waveguides.

p Olhando para a frente, Ma espera fazer um guia de onda de carboneto de silício mais espesso para um conjunto mais amplo de aplicações, por exemplo, criando mais comprimentos de onda (multiplexação) dentro do único guia de ondas.

p "Como uma primeira demonstração do que fizemos juntos, Acho que é uma plataforma muito promissora onde, se continuarmos a refinar a plataforma e o design do dispositivo, Acho que provavelmente seríamos capazes de demonstrar um aprimoramento de ressonador muito bom porque demonstramos fatores de qualidade muito bons, "Diz Tan." Se quiséssemos fazer algo como um pente de frequência ou um oscilador paramétrico óptico, o limite de potência torna-se muito menor se o fator de qualidade for grande. "

p "Se este trabalho puder ser financiado conjuntamente, podemos pensar em fazer uma fonte de luz integrada, sensor e detector, então, há muitos próximos passos empolgantes nisso, "Agarwal diz. p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.