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Sep 28, 2023

Scientific Reports volume 5、記事番号: 17005 (2015) この記事を引用

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炭化ケイ素 (SiC) は、幅広い用途に魅力的な優れた材料特性を示します。 我々は、高い機械周波数、高い機械品質、および高い光学品質を単一のデバイスに統合した最初のSiC光機械微小共振器を実証します。 ラジアル呼吸機械モードの機械周波数は最大 1.69 GHz で、大気中での機械 Q は約 5500 で、これは fm · Qm 積が 9.47 × 1012 Hz に相当します。 強力な光機械結合により、光波によるコヒーレントな機械振動を効率的に励起して調べることができます。 実証されたデバイスは、SiC の優れた熱特性、化学的不活性および欠陥特性と組み合わせることで、特に他のデバイス プラットフォームでは困難な過酷な環境において、計測学、センシング、および量子フォトニクスにおけるアプリケーションに大きな可能性を示します。

光機械共振器は、放射線圧力を介した光機械相互作用を通じて光空洞と機械共振器を相互に結合します。 マイクロ/ナノオプトメカニカル共振器は、メゾスコピックな機械的運動を単一量子レベルまで探査および制御する卓越した能力を備えているため、近年集中的に研究されており、センシング、情報処理、時間/周波数計測学および量子物理学における幅広い応用に大きな期待が寄せられています1。 、2、3、4、5、6。 現在までに、シリカ 7、窒化ケイ素 8、シリコン 9、ガリウムヒ素 10、窒化アルミニウム 11、ダイヤモンド 12、リンケイ酸ガラス 13、リン化ガリウム 14 などのさまざまな材料プラットフォーム上で、多様な光機械構造 6 が開発されてきました。 一般に、キャビティオプトメカニクスは基礎となるデバイス材料に大きく依存しており、高品質で強力な閉じ込め光学モードをサポートするための高い光透過性と大きな屈折率だけでなく、高品質をサポートするための大きな音速と低い材料減衰も必要とします。周波数と高品質の機械的共鳴。

炭化ケイ素 (SiC) は、その優れた熱的、光学的、機械的、化学的特性でよく知られており 15、高出力エレクトロニクス、マイクロメカニカルセンサー、生物医学機器、天体望遠鏡などに幅広い用途があります 16、17、18。 過去数年間、SiC ベースのマイクロ/ナノフォトニクス デバイス 19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30 の開発に多大な努力が注がれており、その非線形光学特性に大きな魅力を感じています 26。 、28および欠陥特性31、32。 一方、最近の理論研究 33,34,35 では、SiC は他の材料よりも大幅に優れた固有の機械的品質を示し、理論上の周波数品質 (fm ⋅ Qm) 積 (fm ⋅ Qm) が室温で約 3 × 1014 であることが示されています。マイクロ波周波数領域における固有の機械的損失を支配するフォノン-フォノン散乱。 SiC は、優れた光学特性とともに高い固有の機械的品質を備えているため、光機械用途向けの優れた材料プラットフォームとなっています。 残念ながら、SiC の優れた機械的剛性と化学的不活性は、高い光学的および機械的品質を備えたマイクロ/ナノフォトニックデバイスの製造に大きな課題を課しており、SiC プラットフォーム上での光機械的機能の実現を大きく妨げています。

このレターでは、|gom|/2π ≈ (61 ± 8) GHz/nm までの係数を持つ重要な光機械結合を示す最初の SiC 光機械微小共振器を実証します。これにより、光によるメゾスコピック機械運動の効率的な作動と特性評価が可能になります。手段。 デバイス構造と製造プロセスを最適化することにより、単一デバイスで高い光学品質、大きな機械周波数、および高い機械品質を同時に達成することができます。 ささやきギャラリー モードは、約 3.8 × 104 の高い光学的品質を示します。ラジアル呼吸機械モードは、最大 1.69 GHz の周波数と約 5500 GHz の機械的品質を示します。対応する fm ⋅ Qm 積は 9.47 × 1012 で、これは、私たちの知る限り、SiC の基本的なバルク音響モードはこれまでに実証されています 36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47。

実証された光機械微小共振器の高性能は、SiC デバイスが広範な光機械用途に対応できる状態になったことを示しています。 SiC 材料 15 の優れた熱的および化学的特性により、SiC オプトメカニカル デバイスは、特に他のデバイス プラットフォームでは困難な過酷な環境において、変位、力、質量、慣性センシングなどのオプトメカニカル センシングにとって特に魅力的です。 一方、SiC オプトメカニカル微小共振器は、SiC の顕著な光非線形性 26,28 と独特の欠陥特性 31,32 と組み合わせることで、ナノオプトメカニクス、集積非線形フォトニクス、量子フォトニクスのためのハイブリッドマイクロ/ナノフォトニクス回路の実現に大きな期待を寄せています。

私たちが採用したデバイスは、シリコン台座上に設置された立方体型 (3C) 炭化ケイ素 (SiC) 微小共振器です。 デバイスの製造プロセスは「方法」で説明されています。 図 1(a) は、滑らかな側壁と細かく制御されたアンダーカットを備えた、さまざまな半径で製造されたデバイスを示しています。 製造プロセスは、光学モードの散乱損失を最小限に抑えるために重要な滑らかな側壁を生成するように最適化されています。 デバイスのアンダーカットはクランプ損失を低減するために最適化されており、これによりラジアル呼吸モードの機械的品質が向上します。

(a) 走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像は、シリコン台座上にあるさまざまな半径で製造された 3C-SiC マイクロディスクを示しています。 最小のマイクロディスクの台座は、ラジアル呼吸モードの機械的品質を最適化するために厳密に制御されています。 最小のマイクロディスクは、SEM プロセスでの炭素の堆積により色が暗くなります。 (b、c) は、ささやきギャラリー光学モードと基本的なラジアルストレッチ機械モードのモード プロファイルをそれぞれ示しており、挿入図は断面図を示しています。 どちらのモード プロファイルも有限要素法によってシミュレートされます。

微小共振器は、ささやき回廊光学モード（図1b）を示し、半径方向に沿って放射圧力を生成して、基本的な半径方向呼吸機械モード（図1c）を作動させます。これにより、キャビティ長が変化し、光共振周波数がシフトします。 。 結果として生じる光場と機械的運動との間の動的逆作用は、光機械的結合強度に依存する効率で、コヒーレントな機械的運動を励起および調査するために使用することができる。 半径 r のマイクロディスク光機械共振器の場合、光機械結合係数は gom ≈ −ωo/r のようにスケールされます。ここで、ωo は光共振周波数を表します。 有限要素法 (FEM) による詳細なシミュレーションにより、半径 2 μm、厚さ 700 nm の SiC マイクロディスクが、それぞれ |gom|/(2π) = 89 および 73 GHz/nm の光機械結合係数を示すことが示されました。 、基本モードと二次横電気様 (TE 様) モードの場合、これは |ħgom| の強い放射圧力に対応します。 = 各光子によってそれぞれ生成される 59 および 48 fN。 FEM シミュレーションは、デバイスの基本的な放射呼吸機械モードが meff = 22 ピコグラムの有効運動質量を示すことを示しています。 その結果、真空光機械結合率 は、デバイス内の基本 TE 様モードでは |g0|/(2π) = 42 kHz と同じくらい大きくなります。

デバイスの光学特性は、図 2 に示すファイバーとデバイスの結合セットアップによってテストされます。波長可変レーザーは、テーパ状の光ファイバーを介したエバネッセント結合によってデバイスに発射されます。 キャビティ伝送は同じテーパーファイバーによって結合され、高速検出器によって記録されます。 レーザー波長はマッハツェンダー干渉計によって校正されます。 複数の高 Q 光モードを備えた典型的なキャビティ透過トレースを図 3(a) に示します。 異なるモード ファミリの 3 つの光学モードはすべて、約 3.8 × 104 の光学品質を示します (図 3(b))。 これらのモードの結合条件は、ファイバーとデバイスの距離を調整することで、過小結合、臨界結合、過結合まで簡単に調整できます。 たとえば、この場合、1528 nm と 1553 nm 付近にあるキャビティ モードはほぼ臨界結合しています。

(a) 光ポンプ・プローブ方式の実験セットアップ。 VOA、MUX、DEMUX はそれぞれ可変光減衰器、マルチプレクサ、デマルチプレクサを表します。 (b) ポンプとプローブのスキームの図。

(a) 典型的な SiC オプトメカニカル微小共振器のキャビティ透過。 (b) 3 つの共振器モードは約 3.8 × 104 の固有の光学的品質を持ち、青は実験データ、赤は理論的フィッティングです。

ささやきギャラリー モードの高い光学品質と強力な光機械結合により、効率的な励起と機械的動作の調査が可能になります。 これを行うには、機械的共振周波数付近の周波数で正弦波変調されたパワーで、光波 (ポンプ波) を空洞共振内に発射します。 動作原理を図2(b)に示します。 光パワーの正弦波変調により、正弦波的に時間変化する放射圧力が生じ、強力な光機械結合を介して放射状呼吸機械運動をコヒーレントに作動させます。 このような光機械的励起を調べるために、異なる空洞共振で弱い連続波の光波 (プローブ波) を発射します。 コヒーレントなオプトメカニカル励起は、オプトメカニカル結合を介してキャビティ内のプローブ場を変調し、それがキャビティ出力に変換されます。 図 2(a) は、実験テストのセットアップを概略的に示しており、より詳細な情報は方法に記載されています。 デバイスは、室温、大気環境でテストされます。

光機械力学を詳細に分析すると、キャビティ透過で検出される、変調周波数 Ω における変調プローブ パワー δPs(Ω) は次の式で与えられることがわかります。

ここで、δUp(Ω) は変調されたキャビティ内ポンプ エネルギーを表します。 Hs(Δs) は、プローブ モードのキャビティ変換関数です。 δUp(Ω) と Hs(Δs) の詳細な式は参考文献にあります。 26. 式 (1) には、オプトメカニカル効果と光学カー効果の両方が含まれます。 最初の項は光学機械応答を表します。ここで、Ωm と Γm はそれぞれ機械的モードの周波数と減衰率です。 γs を含む第 2 項はカー非線形応答を表します。ここで、n0 と n2 はそれぞれ SiC の屈折率とカー非線形係数です。 ω0s はプローブ モードの共振周波数、Veff は光学モードの実効体積を表します。

私たちのデバイスは、機械的周波数が光線幅よりはるかに小さい、側波帯未分解領域に分類されます6。 この体制では、式。 (1) は次のように簡略化できます

ここで、δPd(Ω)は、キャビティ内で降下される変調されたポンプパワーを表します。 Γ0p は、ポンプ モードの固有の光子減衰率です。 Γ0s と Γts は、それぞれプローブ モードの固有光子減衰率と総光子減衰率を表します。 Γes はその外部結合率を表します。 Δs = ωs − ω0s は、プローブ波のレーザーキャビティ離調です。

実験では、光学モードは通常、臨界結合条件 Γ0s = Γes に近く、プローブ モードのレーザー離調は総共振器線幅 Δs ~ Γts/2 の半分程度に設定されます。 その結果、式は次のようになります。 2 は大幅に減少します

式 (3) は、ポンプ モードとプローブ モードの光学的品質に対する変換されたプローブ信号の線形依存性を明確に示しています。 さらに、光機械効果は変調ポンプビームによって機械モードを駆動するだけでなく、機械運動をプローブビームに変換するため、光機械結合係数 gom に二次的に依存します。 その結果、デバイス内の重要な光機械的結合と高い光学的品質により、ポンプ波とプローブ波による効率的な光機械的励起と変換がもたらされることになる。

式 (1) ～ (3) は、変調周波数をスキャンすることによって、放射状呼吸モードの機械的応答を取得できることを示しています。 図 4(b) は、それぞれ 2、4.25、および 6 μm の異なる半径を持つデバイスの 3 つの例を示しています。 これらのデバイスでは、放射状に呼吸する機械的モードは独特の機械的周波数を示しますが、すべての機械的 Q は 5000 を超えています。機械的スペクトル上のわずかなスペクトル非対称は、主に狭帯域の機械的応答と広帯域の背景との間のファノ型干渉によるものです。光学カー非線形応答の計算 (式 (2) を参照)。 記録された光機械スペクトルを理論と比較すると、2 μm デバイスの光機械結合係数は |gom|/(2π) = (61 ± 8) GHz/nm であると推測されます。 これは、移動する誘電体境界の放射圧力を考慮した FEM シミュレーション値 (89 GHz/nm) よりも小さくなります。 この不一致は、誘電体材料の電歪の寄与によるものと考えられます48。 また、機械的周波数の依存性をマッピングするために、さまざまな半径を持つデバイスの特性も調べます。 図 4(a) に示すように、ラジアル呼吸モードの機械的周波数はデバイスの半径に反比例します。 実験データ (青い点) と理論的予測 (赤い曲線) を比較すると、ヤング率は 390 GPa であると推測されます。これは、シリコン基板上の 3C-SiC エピタキシャル膜の以前の測定結果と一致しています 49。

(a) 基本的な機械的半径方向伸縮モードの機械的周波数は、マイクロディスクの半径に反比例します。 実験的なドットは青で、フィッティング曲線は赤で表示されます。 挿入図は、典型的な基本的な機械的半径方向伸縮モードの変位を表しており、幾何学的なエッジが黒で囲まれています。 (b) 半径が 2、4.25、および 6 μm の炭化ケイ素マイクロディスクの正規化された機械的変換スペクトル。左から右に示されています。 実験的なドットは青で、フィッティング曲線は赤で表示されます。 データは式によって適合されます。 2. 炭化ケイ素マイクロディスクは、すべてのデバイスで約 5,500 の高い機械的 Q ファクターを維持します。

機械的共振器の重要な性能指数の 1 つは fm ⋅ Qm 積であり、これは環境の熱貯留層からの機械的運動の切り離しの度合いを定量化します6。 図 5 は、SiC マイクロ/ナノメカニカル共振器についてこれまでに報告されている fm ⋅ Qm 積をまとめたものです36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、50、51、52、53。 一般に、ブリッジ型およびカンチレバー型の SiC マイクロ/ナノメカニカル共振器は、機械的クランプ損失が支配的な機械的減衰を伴う、低い fm ⋅ Qm 積を示します。 クランピング損失を軽減するために、高次倍音バルク音響共振器 (OBAR) モードが多くの機械的波長にわたって機械エネルギーを蓄積するために採用されています 50、51、52、53。デバイスの小型化と集積化を著しく制限する機械的波長。

SiC 機械共振器の周波数品質の製品。

青い四角、緑の三角形、赤い丸、黄色の星は、それぞれブリッジ、カンチレバー、マイクロディスク、倍音バルク音響共振器 (OBAR) を表します。 黒い破線は、1014 Hz (右上) から 108 Hz (左下) までの等しい fm ⋅ Qm 積線を示しています。

対照的に、当社のオプトメカニカル共振器は、機械的波長に匹敵する小さなデバイスサイズで、基本的なラジアル呼吸音響モードで動作します。 たとえば、半径 2 μm のデバイスは、1.69 GHz の周波数と 5589 の機械的 Q を示します (図 4(b))。これは、9.47 × 1012 Hz の fm ⋅ Qm 積に相当します。 この積は、図に示すように、これまでに報告された SiC デバイスの最大値 36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、50、51、52、53 の 1 つです。 5. 実際、表 1 に示すように、私たちのデバイスは、さまざまな材料で作られたささやきギャラリー型オプトメカニカル微小共振器の中で最大の fm ⋅ Qm 積を持っています7、10、11、13、14、54、55。この値はまだ約です。これは、理論上の fm ⋅ Qm 積 33,34,35 よりも 1 桁低く、現在の制限が SiC 材料の固有の機械的損失ではなく、デバイスのエッチング、ピラーのクランプ、空気減衰などの実際的な要因によることを意味します。 したがって、今後はデバイス構造や製造プロセスの更なる最適化により、fm・Qm積の改善が期待されます。 表 1 は、現在の SiC デバイスの光学的品質が、他の材料を使用した最先端の光機械デバイスよりも低いことも示しています。 私たちは現在、実際の光機械用途向けに SiC の光学品質を向上させるために製造プロセスを最適化しています。

我々は、9.47 × 1012 Hz という高い fm ⋅ Qm 積を備え、強力な光機械結合と優れた機械的品質を示す、3C-SiC マイクロディスク内の最初の SiC 光機械共振器を実証しました。 実証されたデバイスの高性能は、SiC 光機械デバイスが計測およびセンシング用途、特に変位、力、質量、加速度/回転を高感度で検出する際に大きな可能性があることを示唆しています。 SiC の優れた熱特性、化学的不活性、耐電圧の高さと組み合わせると、SiC オプトメカニカル デバイスは、高温、反応性化学物質、体液、または高電場などのさまざまな過酷な環境での用途に非常に有望です 15,16。 42、56、57、58 は、他のデバイス プラットフォームにとっては困難です。

一方、SiC オプトメカニカル微小共振器は、デバイスの半径によってスケーラブルな機械的周波数を示します。 特に、半径 2.5 μm の SiC マイクロディスクは 1.33 GHz の機械周波数を示し (図 4 を参照)、これは 3C-SiC の点欠陥のスピン基底状態のゼロ磁場分裂と一致します 31,32。 したがって、高 Q 集合機械モードは、応力誘起結合を介して欠陥スピンの基底状態とコヒーレントに相互作用できる可能性があります。 このメカニズムは、SiC の光子とスピンの結合 24,25、および SiC の顕著な χ(2) および χ(3) 非線形性 26,28 を介した光子と光子の相互作用と組み合わせると、ハイブリッド マイクロ/ナノフォトニクスを形成する大きな可能性を秘めています。非線形光学、量子光学、光機械機能のために光子、欠陥スピン、音響フォノンを相互結合する回路。

私たちが採用したデバイス構造は、シリコン台座上に置かれた立方晶ポリタイプ炭化ケイ素 (3C-SiC) マイクロディスクです。 高解像度の電子ビーム レジスト (ZEP520A) を使用して、反応性イオン エッチング (RIE) による塩素ベースのプラズマを使用してクロム (Cr) マスクをパターニングします。 Cr マスクは、後で誘導結合プラズマ RIE によってフッ素ベースのプラズマで SiC をエッチングするためのハード マスクとして使用されます。 次に、Cr の残留物が Cr エッチャントである CR-14 によって除去され、シリコン基板は水酸化カリウムによってアンダーカットされます。 その後、デバイスは 1100 °C で 2 時間アニールされます。 図 1 は、滑らかな側壁と細かく制御されたアンダーカットを備えた、さまざまな半径で製造されたデバイスを示しています。 製造の詳細については、参考文献を参照してください。 25.

実験装置の詳細を図 2(a) に示します。 強力なレーザー波は、ニオブ酸リチウム変調器によって振幅が正弦波変調されます。 変調の周波数はネットワーク アナライザーによってスキャンされます。 ポンプ レーザーは、可変光減衰器 (VOA) によって約 80 μW まで減衰されます。 プローブ レーザーは、別の VOA によってポンプ ビームよりも 10 dB 小さく保たれます。 熱の影響は、デバイスの動作電力に対して無視できます。 偏光コントローラは、使用されているキャビティモードに合わせてレーザービームの偏光を変更するために使用されます。 粗波長分割多重 (CWDM) マルチプレクサを使用して、ポンプ ビームとプローブ ビームを結合し、キャビティ内に発射します。 変調されたポンプビームは機械的モードを駆動し、機械的変位がキャビティ共振周波数のジッタリングに変換されます。 その後、ポンプ ビームとプローブ ビームは CWDM デマルチプレクサによって分離されます。 検出器 1 はプローブ ビームの 90% 透過率を持ち、ネットワーク アナライザーによって収集されます。 ネットワーク アナライザは、変調周波数をスキャンし、同じ周波数の信号を同時に検出します。 検出器 2 と 3 は、それぞれレーザー キャビティをプローブ モードとポンプ モードにロックするために使用されます。 実験で使用した光モードは高次モードであり、現在のテーパーファイバーによって簡単に臨界結合できます。 オプトメカニカル結合は、より薄いテーパーファイバーまたは導波路結合を通じて基本モードにアクセスすることで改善できます。

この記事を引用する方法: Lu, X. et al. 高周波および高品質の炭化ケイ素オプトメカニカル微小共振器。 科学。 Rep.5、17005; 土井: 10.1038/srep17005 (2015)。

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著者らはフィリップ X.-L. に感謝します。 Feng さん、有益な議論をありがとうございました。 この研究は、ECCS-1408517 の助成金を受けて米国科学財団によって支援されました。 この実験の一部は、全米ナノテクノロジー インフラストラクチャ ネットワークのメンバーであるコーネル ナノスケール科学技術施設 (CNF) で実施されました。

ロチェスター大学物理学および天文学部、ロチェスター、14627、ニューヨーク州、米国

シユアン・ルー

ロチェスター大学電気およびコンピュータ工学部、ロチェスター、14627、NY、米国

ジョナサン・Y・リー＆チャン・リン

ロチェスター大学光学研究所、ロチェスター、14627、NY、米国

リン・チャン

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XLとJYLはデバイスを製作し、実験を実施した。 XLはデータを分析しました。 QLが企画・監修した。 著者全員が結果の議論と原稿の執筆に参加しました。

著者らは、競合する経済的利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Lu, X.、Lee, J.、Lin, Q. 高周波および高品質の炭化ケイ素光機械微小共振器。 Sci Rep 5、17005 (2015)。 https://doi.org/10.1038/srep17005

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受信日: 2015 年 5 月 27 日

受理日: 2015 年 10 月 22 日

公開日: 2015 年 11 月 20 日

DOI: https://doi.org/10.1038/srep17005

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