Investigadores del MIT y la Universidad Tecnológica de Singapur (SUTD) han demostrado un resonador de micro anillo hecho de carburo de silicio amorfo con el factor de calidad más alto hasta la fecha. El resonador parece prometedor para ser utilizado como una fuente de luz fotónica en chip en la longitud de onda de telecomunicaciones infrarrojas de 1, 550 nanómetros.

La luz ordinaria del día pasará por una ventana inalterada, en un proceso llamado transmisión lineal, pero la misma luz que atraviesa un prisma se dividirá en un arco iris de colores. De manera similar en los dispositivos fotónicos, la luz infrarroja de un láser puede atravesar de forma lineal sin cambiar su "color, "pero a alta intensidad, la luz puede exhibir un comportamiento no lineal, generando colores adicionales, o longitudes de onda. Por ejemplo, un solo láser amarillo acoplado a un dispositivo fotónico puede generar azul, verde, amarillo, o colores naranja.

Los investigadores dirigidos por el científico de investigación del laboratorio de investigación de materiales del MIT, Anuradha M. Agarwal, fabricaron los resonadores de anillo de carburo de silicio amorfo, e investigadores del SUTD dirigidos por la profesora asociada Dawn T.H. Tan analizó las propiedades lineales y no lineales del dispositivo.

"Podemos mostrar un efecto no lineal de un orden de magnitud más alto que el medido antes en cualquiera de los sustratos de carburo de silicio, "Dice Agarwal.

El factor de calidad es una medida de la fuerza con la que el resonador produce efectos no lineales. "Cuanto mayor sea el factor de calidad, cuanto mejor sea el efecto no lineal, "dice Tan, quien lidera el Grupo de Sistemas y Dispositivos Fotónicos en SUTD. "Entonces, en este caso, el factor de calidad fue bastante bueno. De hecho, fue mucho mejor de lo que esperábamos ".

Los hallazgos se describen en un artículo, que aparece en la portada de ACS Photonics, por Agarwal, Broncearse, Danhao Ma, estudiante de posgrado en ingeniería y ciencia de materiales del MIT, y otros tres en Singapur y Malasia.

Ventaja del resonador

Se necesita una alta intensidad de luz para activar propiedades no lineales para dispositivos fotónicos, que se puede lograr aumentando la potencia del láser o utilizando un dispositivo como un resonador de anillo. "Un anillo permite esa alta intensidad porque atrapa los fotones durante mucho tiempo, "Agarwal explica." Más y más fotones se acumulan como un crescendo y eso permite la evaluación de propiedades ópticas no lineales ".

Como un cable de fibra óptica que transmite luz envolviendo un material que lleva la luz dentro de un material diferente que no permitirá que la luz pase a través de él, el resonador de anillo de carburo de silicio amorfo y la guía de ondas recta para transportar la luz infrarroja están rodeados por una capa de óxido de silicio que minimiza la cantidad de luz que puede escapar. Los índices de refracción de diferentes materiales determinan qué tan bien funcionan juntos como capa portadora y capa exterior protectora.

"Estamos intentando crear este tipo de guía de ondas de fibra óptica en un chip, "Agarwal explica." Así que es como una fibra, pero en un chip, y por lo tanto, lo que necesitamos es un núcleo con un índice de refracción alto y un revestimiento con un índice bajo ". El carburo de silicio y el óxido de silicio tienen una diferencia lo suficientemente grande en sus índices de refracción como para que funcionen bien juntos como núcleo y revestimiento para una guía de ondas.

Los investigadores lograron el factor de calidad récord en este estudio utilizando el proceso químico mejorado por plasma (PECVD) para depositar el carburo de silicio, a una temperatura que sea compatible con el procesamiento de chips de silicio de semiconductores de óxido de metal complementario (CMOS), y desarrollar un método para modelar y grabar el resonador de anillo de carburo de silicio, que está acoplado a una guía de ondas recta.

Superando retos

La estudiante graduada del MIT, Ma, superó varios desafíos de procesamiento para hacer el resonador de alta calidad. Cuando Ma comenzó a trabajar en materiales de carburo de silicio para este estudio hace unos tres años, No existía una receta sobre cómo grabar un patrón en el material de carburo de silicio amorfo cuando se deposita sobre un sustrato de dióxido de silicio. "El carburo de silicio es un material muy rígido y duro física y químicamente, asi que, en otras palabras, es muy difícil quitarlo o grabarlo, "Dice mamá.

Para depositar y grabar la guía de ondas de carburo de silicio sobre óxido de silicio, Ma utilizó por primera vez la litografía por haz de electrones para modelar las guías de onda y el grabado en seco de iones reactivos para eliminar el exceso de carburo de silicio. Pero sus primeros intentos con una máscara típica a base de polímero no funcionaron porque el proceso eliminó más de la máscara que el carburo de silicio. Ma luego probó una máscara de metal, pero los límites de grano de la máscara se trasladan al carburo de silicio, dejando atrás paredes laterales rugosas en las guías de ondas. La rugosidad no es deseable porque aumenta la dispersión de fotones y la pérdida de luz. Para resolver el problema, Ma desarrolló una técnica que utiliza una máscara a base de dióxido de silicio para el grabado con iones reactivos. Durante el desarrollo del proceso, Ma trabajó en estrecha colaboración con Qingyang Du, un postdoctorado del MIT, y Mark K. Mondol, subdirector del Laboratorio de Nanoestructuras en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT.

"Creamos el tipo correcto de químicas en esta reacción y controlamos los flujos de gas y el plasma, o, en otras palabras, los detalles de la receta de procesamiento, "Ma dice." Esta receta es realmente selectiva para grabar carburo de silicio en comparación con el dióxido de silicio, lo que nos permitió dar forma a los dispositivos fotónicos de carburo de silicio y tener una pared lateral de guía de ondas suave, "Dice Ma. La pared lateral lisa es fundamental para mantener las señales ópticas en el dispositivo fotónico, él nota.

Las principales fuentes de pérdida de luz en estos resonadores son la absorción de fotones en el material del anillo y / o la dispersión de fotones causada por la rugosidad de los bordes del dispositivo del anillo. "El procesamiento de Danhao produjo paredes laterales lisas, que permitió una pérdida baja y un resonador de factor Q (calidad) alto, "Agarwal explica.

"La belleza de este material de carburo de silicio y la técnica que usamos aquí en el artículo es que el proceso PECVD de carburo de silicio es un proceso económico, estándar en la industria de la microelectrónica de silicio, "dice mamá, cuya investigación se concentra en el diseño e ingeniería de materiales para la fotónica integrada. "El uso de los procesos microelectrónicos existentes facilitará la adopción del carburo de silicio en las plataformas electrónicas integradas y fotónicas integradas". El PECVD y los procesos de grabado de iones secos reactivos que utilizó no requieren la combinación de celosía y otras demandas críticas del crecimiento epitaxial en el silicio, y es independiente del sustrato, Dice mamá.

Mejor presentación

Tan ha estudiado los materiales de nitruro de silicio y otros materiales CMOS por su no linealidad durante varios años. "Para el carburo de silicio (amorfo), tendrías una mejor mejora cuando se lanza como un resonador en comparación con el nitruro ultra rico en silicio, y también tiene un índice de refracción no lineal más alto que el nitruro de silicio estequiométrico, que es prolífico en óptica no lineal, "Tan dice.

En estos dispositivos suelen estar presentes varios tipos de absorción de fotones conocidos como absorción de dos y tres fotones. En este estudio, Tan dice, la pérdida estuvo dominada por la absorción de tres fotones, que es un mecanismo de pérdida no lineal relativamente débil, mientras que la absorción de dos fotones, que puede ser un problema en muchos materiales de silicio cristalino y silicio amorfo, fue suprimido.

Agarwal y Tan comenzaron a colaborar mientras Tan era académico visitante en el MIT desde agosto de 2013 hasta agosto de 2014. "Fuimos muy afortunados de formar parte del equipo del profesor Tan, y nos beneficiamos mucho de esta colaboración, y seguimos colaborando, "Dice Agarwal. El equipo de Agarwal trabajó anteriormente en el uso de carburo de silicio en un sensor para entornos hostiles.

Para el trabajo actual, el equipo de Singapur midió las longitudes de onda adicionales de luz generadas en el resonador de anillo, un fenómeno llamado ensanchamiento espectral, que se cuantifica mediante un término llamado no linealidad de Kerr. Los investigadores encontraron que la no linealidad de Kerr de su película de carburo de silicio es casi 10 veces mayor que la del carburo de silicio cristalino y amorfo previamente informado.

"Con esto ves un efecto de ensanchamiento espectral, que podemos aprovechar en nuestro beneficio porque ahora, en lugar de tener solo una frecuencia, estamos generando varias otras frecuencias que pueden proporcionar una fuente de luz súper continua, "Dice Agarwal.

Emocionante desarrollo

Profesor David J. Moss, director del Centro de Microfotónica de la Universidad Tecnológica de Swinburne en Australia, que estudia materiales fotónicos, dice, "Este artículo presenta nuevos resultados para el carburo de silicio amorfo como una plataforma compatible con CMOS prometedora para óptica no lineal, especialmente centrado en la importante ventana de telecomunicaciones ".

"El logro de una alta no linealidad de Kerr, comparable al silicio cristalino, junto con una absorción insignificante de dos fotones, junto con resonadores de anillo de factor Q récord (para carburo de silicio), es un desarrollo emocionante en la búsqueda continua de plataformas cada vez más eficientes para ópticas no lineales en 1, 550 nanómetros, "agrega Moss, que no participó en esta investigación.

Profesora adjunta Andrea Melloni, quien dirige el Grupo de Dispositivos Fotónicos en el Politecnico di Milano en Italia, dice, "El SiC amorfo (carburo de silicio) depositado con PECVD es de gran interés. El índice de refracción es extremadamente atractivo (2,45 no es un valor común) porque es lo suficientemente alto como para permitir una integración a gran escala, pero no tan alto como el silicio, minimizando así los problemas asociados con el índice de contraste muy alto de las estructuras SOI (silicio sobre aislante) ". Melloni, que tampoco participó en esta investigación, publicó un artículo el año pasado sobre guías de ondas fotónicas de oxicarburo de silicio.

Mirando hacia el futuro, Ma espera fabricar una guía de ondas de carburo de silicio más gruesa para un conjunto más amplio de aplicaciones, por ejemplo, creando más longitudes de onda (multiplexación) dentro de la única guía de ondas.

"Como primera demostración de lo que hemos hecho juntos, Creo que es una plataforma muy prometedora en la que, si podemos seguir perfeccionando el diseño de la plataforma y el dispositivo, Creo que probablemente podríamos demostrar una mejora del resonador muy buena porque hemos demostrado factores de calidad muy buenos, "Tan dice." Si quisiéramos hacer algo como un peine de frecuencia o un oscilador paramétrico óptico, el umbral de potencia se vuelve mucho menor si el factor de calidad es grande ".

"Si este trabajo se puede financiar de forma conjunta, podemos pensar en hacer una fuente de luz integrada, sensor y detector, por lo que hay muchos próximos pasos interesantes en esto, "Dice Agarwal.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.