碳化硅有望实现集成光子学

单晶4H-SiC和克尔梳子生成的图示。图片来源：Light： Science & Applications

由中国科学院上海微系统与信息技术研究所（SIMIT）的Ou Xin领导的研究人员最近全面回顾了基于碳化硅（SiC）的集成光学器件的里程碑和挑战。这篇综述发表在《应用物理评论》上。

光子集成电路（PIC）有望解决信息技术中传输带宽和处理速度的两个瓶颈。然而，传统的硅光子学无法实现信息社会所需的所有功能。作为补充，LiNbO等平台3四3N4等被探索。特别是，SiC得益于其高折射率，宽透明窗口，高非线性系数，互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容性等，被认为是PIC的有前途的平台。

在非线性光学器件中，超高 Q（最大值 7.1 106SiC光谐振器、倍频程跨克尔频率微梳和低温下的孤顿克尔频率微梳在近三年中相继得到证明。在电光学中，演示了一种CMOS驱动的基于微环的电光调制器，该调制器在高光密度下工作。SiC在量子光学领域也受到了很多关注。它可以承载具有明亮发射和长自旋相干时间的单自旋缺陷。4H-SiC中单虚度自旋的相干操纵和4H-SiCOI中硅空位（SiV）与谐振器（微柱或PhCs）的高效耦合已经实现。此外，由He植入产生的立方晶格位点SiV（V2）被集成到波导中，而不会使固有的自旋光学性质恶化。+

很明显，SiC光子学目前蓬勃发展，既有巨大的机遇，也有挑战，特别是在制备高质量的碳化硅绝缘体（SiCOI）方面。

来自SIMIT的Ou小组对基于SiCOI的集成光子学进行了系统研究。2019年，他们通过离子切割技术制造了用于集成光学器件的高均匀性的4英寸4H-SiCOI，并通过H植入在4H-SiC中产生了室温相干控制自旋缺陷。+

随后，采用飞秒激光辅助化学机械抛光法制备了SiC谐振器，测得光学品质因数为7.1 106，这是迄今为止SiC光子学中的最高值。

由于实现了超高Q值、宽带频率转换、级联拉曼激光和宽带宽克尔频率。2022年，4H-SiC光子芯片通过拾取和放置技术与基于InGaAs量子点的单光子源集成。

通过设计双层垂直耦合器和功率分流比为50：50的1 2多模干涉仪，实现了混合量子光子芯片单光子发射的产生和高效布线。

该小组最近的目标是制造具有低光损耗的4H-SiCOI，并促进集成的非线性和量子SiC光子学，特别是宽带宽孤子频率克尔梳。

结合SiC非线性和量子光学的进步，可以预期SiC集成光学的更广阔前景。低成本、晶圆规模和高质量4H-SiCOI的发展将推动非线性和量子光学的发展，甚至SiC功率和射频器件的发展。

更多信息：Ailun Yi等人，用于集成光子学的碳化硅，应用物理评论（2022）。DOI： 10.1063/5.0079649

期刊信息：应用物理评论