[论文解读] Octave-spanning microcomb generation in 4H-silicon-carbide-on-insulator photonics platform

Lutong Cai, Jingwei Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2021

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 30被引用 4

一句话总结

该论文首次在4H-碳化硅膜绝缘（4H-SiCOI）光子平台上实现了跨越八度音程的微梳。通过优化纳米制造工艺，在36-µm半径微环谐振器中实现超过一百万的本征Q值，并通过基模横向电场（TE₀₀）模式下波导宽度调节实现色散工程，作者实现了1100–2400 nm波段的宽带微梳，片上输出功率接近120 mW，标志着迈向芯片级f-2f自参考的关键一步。

ABSTRACT

Silicon carbide has recently emerged as a promising photonics material due to its unique properties, including possessing strong second- and third-order nonlinear coefficients and hosting various color centers that can be utilized for a wealth of quantum applications. Here, we report the design and demonstration of octave-spanning microcombs in a 4H-silicon-carbide-on-insulator platform for the first time. Such broadband operation is enabled by optimized nanofabrication achieving >1 million intrinsic quality factors in a 36-$μ$m-radius microring resonator, and careful dispersion engineering by investigating the dispersion properties of different mode families. For example, for the fundamental transverse-electric mode whose dispersion can be tailored by simply varying the microring waveguide width, we realized a microcomb spectrum covering the wavelength range from 1100 nm to 2400 nm with an on-chip power near 120 mW. While the observed comb state is verified to be chaotic and not soliton, attaining such a large bandwidth is a crucial step towards realizing $f$-2$f$ self-referencing. In addition, we have also observed coherent soliton-crystal state for the fundamental transverse-magnetic mode, which exhibits stronger dispersion than the fundamental transverse-electric mode and hence a narrower bandwidth.

研究动机与目标

• 在4H-碳化硅膜绝缘（4H-SiCOI）光子平台上实现八度跨越微梳生成，用于集成频率计量。
• 通过波导宽度调节实现色散工程，克服以往基于碳化硅微梳带宽受限的挑战。
• 通过优化纳米制造，在紧凑的碳化硅微环谐振器中实现本征Q值超过一百万。
• 通过生成跨越一个八度以上的宽带微梳，实现芯片级f-2f自参考。
• 通过对比实验微梳谱与LLE模拟，评估碳化硅材料的克尔非线性。

提出的方法

• 采用500 nm厚碳化硅层与100 nm埋氧层的4H-SiCOI平台，利用直接键合与抛光技术制造。
• 通过将微环波导宽度从1.6至1.9 µm变化，调节基模TE₀₀的色散，实现宽波段异常群速度色散（GVD）。
• 通过优化纳米制造实现本征Q值超过一百万，包括80–85°侧壁角，最大限度降低散射损耗。
• 采用光栅耦合器进行输入耦合，通过抛光芯片端面的端面耦合实现宽带输出收集，以解析1100–2400 nm全谱。
• 使用两台光谱分析仪（OSA）分别覆盖600–1700 nm与1200–2400 nm，测量全微梳带宽。
• 采用Lugiato-Lefever方程（LLE）进行数值模拟，参数为γ ≈ 2.1 W⁻¹m⁻¹与Q_intrinsic = 125万，模拟微梳动力学并推断材料非线性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过色散工程与高Q纳米制造，在4H-SiCOI平台上实现八度跨越微梳？
• RQ2 通过调节波导宽度，4H-SiCOI微环在TE₀₀模式下可实现的最大微梳带宽是多少？
• RQ3 4H-SiCOI微环的本征Q值与当前最先进平台相比如何？本工作实现超过一百万Q值的关键因素是什么？
• RQ4 所观测到的微梳态是否支持f-2f自参考？该平台中的微梳状态是混沌还是孤子态？
• RQ5 根据实验微梳谱与LLE模拟，所用4H-SiC材料的有效克尔非线性系数是多少？

主要发现

• 首次在任何基于碳化硅的纳米光子平台中实现八度跨越微梳，使用36-µm半径微环谐振器，覆盖1100–2400 nm波段。
• 通过基模TE₀₀模式与1.8–1.9 µm波导宽度实现微梳谱，谱宽超过150 THz。
• 生成宽带微梳需约120 mW的片上泵浦功率，输出通过与透镜光纤的端面耦合收集。
• 拍频测量证实微梳状态为调制不稳定性（MI）微梳，而非相干孤子，因其具有混沌动力学特征。
• 有效克尔非线性系数估算为n₂ = (3.0 ± 1.0) × 10⁻¹⁹ m²/W，对应γ ≈ 2.1 W⁻¹m⁻¹，低于此前报道的其他碳化硅样品值。
• 在TM₀₀模式中观测到相干孤子晶格态，但因色散更强，带宽较窄。