碳化硅（SiC）因其宽带隙、大Kerr非线性、优异热导率和与硅光子学的兼容性等独特组合，已成为量子和非线性光子学中有前景的集成平台。虽然制造进展已实现了高限制微谐振器，但实现工业级低损耗器件需要克服与材料缺陷和表面粗糙度相关的重大制造障碍。本文对晶圆级（4英寸）4H碳化硅-on-绝缘体（SiCOI）集成平台的先进制造方案进行了全面研究。本研究系统比较了两种主要制造路线——离子切割法和体块晶圆减薄法，并研究了它们对材料晶体质量和光学损耗性能的影响。通过优化制造工艺，我们实现了亚纳米侧壁粗糙度和高达580万的本征品质因子（Q）。此外，我们概述了使用这些高限制微谐振器在Kerr梳产生方面的近期进展，包括亚毫瓦阈值Kerr梳、单孤子和宽带倍频程态的实现。我们还研究了复杂孤子动力学，包括孤子晶体和双向切换。本研究为SiCOI平台建立了稳健的制造基础，弥合了高精度制造与功能性芯片级非线性光学系统之间的差距。关键词：非线性光学，集成光学，光学器件制造，微谐振器，孤子梳，碳化硅。可注入元素：H He P C Er+ Ge Yb B,P,F,Al,N,Ar,H,Si,As,O,He
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文章名：4H-Silicon Carbide Integrated Platform: From Manufacturing to Nonlinear Photonics作者：Yi Zheng1 ∗, Ailun Yi2 3 ∗, Chengli Wang2 3, Liping Zhou2 3, Yanjing Zhao1, Kresten Yvind1, Xin Ou2 3 †, and Minhao Pu1 †单位：1.DTU Electro, Department of Electrical and Photonic Engineering, Technical University of Denmark, 2800 Kongens Lyngby, Denmark2.State Key Laboratory of Materials for Integrated Circuits, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China3.The Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China碳化硅（SiC）已成为下一代集成光子学的首要材料平台，提供了宽带隙（2.4–3.2 eV）[1]、大Kerr非线性（n₂ ≈ 10⁻¹⁸ m²/W）[2]和优异热导率（480 W/mK）[3]的独特组合。与传统的硅基平台如Si[4]、SiO₂[5,6]和Si₃N₄[7-13]相比，SiC还具有本征二阶非线性（6.5–12.5 pm/V[14]），使得在同一平台内可访问χ⁽²⁾和χ⁽³⁾非线性过程。此外，与其他高折射率对比度非线性材料包括AlN[15,16]、AlGaAs[17-21]、LiNbO₃[22-25]、GaN[26,27]、GaP[28]和硫系化合物[29]不同，SiC与互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺兼容，为晶圆级制造和与电子组件的集成提供了一条有前景的途径。此外，其高击穿电压（2–4×10⁶ V/cm）[30]和宽透明窗口（0.37–5.6 μm）[31]使SiC对高功率非线性光子学应用特别有吸引力。尽管有这些优势，从体块SiC到高限制、低损耗绝缘体上碳化硅（SiCOI）集成平台的转变面临着显著的制造障碍。实现非线性光学过程所需的高品质因子（Q）微谐振器需要减轻材料缺陷和制造引起的缺陷。特别是，在高限制亚微米波导中，侧壁粗糙度引起的散射损耗变得日益严重，从而限制了SiCOI微谐振器可达到的Q因子[32, 33, 34, 35]。因此，开发先进的薄膜制造和高精度刻蚀方案对于弥合原材料性质与功能性高性能芯片级器件之间的差距至关重要。这种高性能集成平台最引人注目的演示之一是微谐振器频率梳（或微梳）的实现[36,37]。高Q微谐振器促进高效四波混频（FWM），为包括电信[38,39]、LIDAR[40,41]、频率合成[42]、天文校准[43,44]和量子信息处理[45]在内的广泛应用提供了紧凑解决方案。SiCOI平台的高折射率对比度（1550 nm处折射率≈2.6）实现了强光限制和高效色散工程，这对于FWM[46,47]、二次谐波产生[48,49]和Kerr梳产生（KCG）[50-53]等非线性过程中的相位匹配至关重要。在本研究中，我们通过追踪SiCOI平台从先进制造到非线性光子应用的轨迹对其进行了全面考察。在第2节中，我们评估了两种不同的4英寸SiCOI薄膜制造方法——离子切割和体块晶圆减薄技术——以分析制造选择如何影响晶体质量和谐振性能。我们还引入了一种使用湿法热氧化的精炼表面平滑技术，以实现亚纳米侧壁粗糙度。在第3节中，我们实验演示了反常和正常色散区域中的多种Kerr梳态，从而验证了优化制造平台所实现的非线性性能。高Q微谐振器在实现低阈值KCG中起着关键作用。然而，实现结合所需色散设计和强光限制的高Q微谐振器是一项非平凡的任务。在SiCOI平台上，这些先决条件要求波导设计具有小截面尺寸。图1提供了选择合适波导尺寸进行研究的指南，SiCOI波导的示意截面显示在图1插图中。它显示了不同波导尺寸的SiCOI波导基横电模式（TE₀₀模式）的计算有效模式面积（彩色阴影等高线）。此外，我们计算了不同模式对应零群速度色散（零GVD）的波导尺寸，包括TE₀₀（实心黑线）、基横磁模式（TM₀₀）（红色虚线）和高阶TE₁₀模式（蓝色虚线）。左下角的灰色阴影区域表示单模工作区域。图1. 不同截面尺寸SiCOI波导的TE₀₀模式（实心黑线）、TM₀₀模式（红色虚线）和高阶TE₁₀模式（蓝色虚线）在1550 nm处的计算有效模式面积（彩色阴影等高线）和群速度色散（GVD）。灰色阴影区域为单模工作区域。插图显示SiCOI波导的示意截面。Q由本征材料损耗和制造缺陷引起的散射损耗共同决定。本节聚焦于SiCOI微谐振器的制造工艺和Q性能。第2.1节介绍了我们使用两种不同方法——离子切割和体块晶圆减薄法——进行SiC薄膜制备的工作。讨论了这些方法的优缺点。在第2.2节中，我们介绍了一种优化的器件制造工艺，该工艺结合了通过湿法热氧化降低侧壁粗糙度的技术。第2.3节介绍了使用不同SiC薄膜制备方法制造的SiCOI MRR的Q值表征和比较。我们探索了两种获得顶部有薄SiC膜的SiCOI叠层的制备方法。离子切割法的示意图如图2(a)所示[54]。首先，4H体块SiC晶圆注入170 keV H⁺离子。硅载体晶圆通过热氧化生长2 µm厚二氧化硅层。清洗后，两个晶圆使用分子晶圆键合进行键合。随后在约850 °C退火促进薄SiC膜从体块SiC晶圆分离。分离晶圆进一步在1100 °C退火10小时，然后通过化学机械抛光（CMP）对SiC层进行减薄和平坦化。图2(c)显示了制备的4英寸SiCOI晶圆在分离后的照片，厚度均匀性为4 nm。虽然高均匀性是一个优势，但该制备方法中的离子注入步骤在SiC中引入缺陷[55,56]，导致额外材料损耗。图2.SiCOI晶圆制备方法。基于(a)离子切割法和(b)体块晶圆减薄法的制备工艺示意图。(c, d)基于(c)离子切割法和(d)晶圆减薄法制备的4英寸SiCOI晶圆照片及晶圆上的厚度变化。第二种制备方法基于体块晶圆减薄[51,48,35]，其中SiC在晶圆键合后通过研磨、刻蚀和CMP从500 µm减少到目标厚度（图2(b)）。SiC体块晶圆首先通过亲水键合键合到热氧化Si衬底上，然后在N₂气氛中于600 °C退火。热处理后，使用8000目砂轮将SiC层机械研磨至20 µm。随后的干法刻蚀步骤进一步将SiC厚度减少到4 µm。键合叠层随后在800 °C退火以进一步增强键合强度。图2(d)显示了研磨和干法刻蚀步骤后SiCOI晶圆和SiC厚度变化的照片。最后，将其切割成小样品并进行CMP以实现SiC层的原子级光滑表面。虽然该方法不引入额外材料损耗，但仅使用CMP步骤在晶圆尺度上实现均匀SiC膜具有挑战性。为保持目标器件的性能，我们在光刻前绘制了SiC层的厚度图。然后根据该图定制器件尺寸以补偿局域厚度偏差。SiC微谐振器使用电子束光刻（EBL）制备。负性抗蚀剂氢硅倍半氧烷（HSQ）旋涂在SiCOI样品上作为刻蚀掩模，随后沉积20 nm铝层以避免充电效应引起的图案畸变。为减轻EBL偏转系统中的时间噪声和空间像差，实施了多遍曝光[57-59]。这种方法确保每个形状被部分写入曝光场的不同区域。随后，使用电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）设备以氟基气体（SF₆）将器件图案转移到SiC层上。刻蚀速率测得为140 nm/min，掩模选择性为1.4。图3. 通过湿法氧化的侧壁平滑度。(a) 刻蚀后SiC波导的SEM图像。(b) 刻蚀后经1100 °C 2小时湿法氧化的SiC波导SEM图像。湿法氧化前(c)和氧化后(d) SiC波导侧壁的AFM图像，RMS粗糙度从1.73 nm降低至0.98 nm。比例尺为200 nm。图3(a)显示了刻蚀后SiC波导的扫描电子显微镜（SEM）图像。可以看出，制造缺陷导致侧壁粗糙度，这引起散射损耗并损害微谐振器的Q值。在本研究中，我们研究了氧化对粗糙度改善的影响。湿法氧化在1100 °C下进行两小时，氧化约100 nm SiC。在此过程中，SiC被热氧化为SiO₂。图3(b)显示了刻蚀和去除SiO₂后SiC的SEM图像，仅两小时湿法氧化就显著改善了侧壁粗糙度。图3(c)和3(d)显示了SiCOI侧壁氧化前后的原子力显微镜（AFM）图像，显示均方根（RMS）粗糙度从1.73 nm降低至0.98 nm。由于Q因子是微谐振器损耗性能的关键指标，并强烈影响非线性过程的效率，我们对使用离子切割和体块晶圆减薄方法制造的SiC微环谐振器（MRR）的Q因子进行了比较分析。图4. 使用离子切割法（a，b）和体块晶圆减薄法（c，d）制备的晶圆制造的SiCOI MRR的Q分析。(a，c) 十个1-THz MRR的本征谐振线宽直方图，波导尺寸和TE₀₀模式分布显示在插图中，最可几值为3 GHz（a）和55 MHz（c）。(b，d) 显示最大Q的谐振的测量（归一化）透射光谱，对应本征线宽2.5 GHz（b）和34 MHz（d）。(e) 不同尺寸MRR的提取损耗。(f) （黑色）体块SiC晶圆和热退火前（红色）和热退火后（蓝色）成品SiCOI晶圆的X射线衍射（XRD）摇摆曲线。图4总结了使用离子切割方法制造的SiCOI MRR的损耗性能。图4(a)显示了十个波导尺寸为750 nm×500 nm、侧壁角75°的1-THz MRR的本征谐振线宽直方图，最可几值为2.5 GHz。插图显示了波导的基TE（TE₀₀）模式分布。图4(b)显示了达到的最大本征Q值为7.3×10⁴[34]。在使用体块晶圆减薄方法制造的SiC薄膜中，原始SiC晶体质量得以保持，但以晶圆上SiC层不均匀为代价。尽管存在这种不均匀性，在1 cm×1 cm样品区域内可实现80 nm的不均匀范围[51]。执行了相同的器件制备步骤以确保来自不同SiCOI晶圆的MRR具有相似的侧壁粗糙度。图4(c)显示了本征谐振线宽直方图，最可几值为55 MHz，最大本征Q为580万（图4(d)），我们采用了广泛使用的分裂谐振拟合模型[60]。虽然Q值与[61]达到的最先进值相似，但波导截面尺寸小两倍（950 nm×340 nm，如图4(c)插图所示）。由于波导尺寸减小导致光场在波导侧壁更显著，使其对侧壁粗糙度高度敏感，在高限制SiCOI微谐振器中实现如此高的Q并非易事。此外，强光限制导致更小的有效模式面积（A_eff），从而实现高效的KCG。高折射率对比度SiCOI波导中的传播损耗还受波导宽度影响，因为SiC–SiO₂界面处的光强度变化，导致不同波导尺寸下的散射损耗不同。为研究这些差异，制备了具有不同波导尺寸的MRR。图4(e)显示了不同宽度SiC MRR的提取传播损耗。不同颜色代表不同的SiC薄膜制备方法。注意，离子切割和体块晶圆减薄方法的SiC厚度分别为500 nm和340 nm，实现的最低损耗分别为6.4和0.2 dB/cm。超过一个数量级的损耗差异突显了使用离子切割法制备的SiCOI晶圆中最大可达到Q受限制的事实。为定性研究离子切割制备过程中SiC晶体质量，我们使用X射线衍射（XRD）表征材料。测量SiC的摇摆曲线以确定其晶体质量，并在倾斜样品时记录衍射强度。在图4(f)中，黑色线表示体块SiC晶圆衍射X射线信号的归一化强度随摇摆角的变化，显示摇摆角半高全宽（FWHM）为25角秒。离子注入和分离步骤后，FWHM增加到288角秒（图4(f)中的红线），表明SiC层晶体质量显著退化。这种退化归因于离子注入步骤，高剂量高能H⁺穿过晶体，引起位错和空位等缺陷[55,56]。热退火是恢复晶体质量的常用方法。图4(f)中的蓝线显示了在Ar环境中于1100 °C热退火后的分离SiCOI晶圆。摇摆角FWHM降低四倍表明SiC晶体质量有所改善。然而，施加的温度无法完全恢复晶体，因为SiC的生长温度为1700 °C，而埋入的SiO₂和Si衬底无法承受如此高的温度。因此，在离子切割过程后保持SiC层的原始晶体质量具有挑战性。表1总结了本工作中使用的离子切割和体块晶圆减薄方法制备的SiCOI平台的关键性能指标。由于离子切割工艺的高度技术成熟度，在4英寸晶圆上可常规实现±2.5–10 nm的薄膜均匀性。然而，当初始厚度变化较大时（图2(d)），仅使用CMP难以实现晶圆级均匀性，当前的工业级服务可通过专门的修整处理在4英寸晶圆上产生±25–50 nm均匀性的SiC薄膜[62]。这显著降低了大规模电路的设计复杂性。虽然两种方法都实现了顶面粗糙度低于0.1 nm和侧壁粗糙度低于1 nm，从而实现低散射损耗，但体块减薄谐振器的最大Q_int比离子切割谐振器高约两个数量级。这种差异表明离子注入的残余晶格损伤仍是离子切割薄膜中光学损耗的主要来源。为缓解这一问题，可以使用升高的注入温度（例如约600 °C）。据报道，这种条件可将临界注入剂量降低近两倍，从而显著抑制缺陷形成[46,63]。SiCOI MRR中的首次KCG在[50]中报道，他们使用高阶TE₁₀模式作为泵浦模式，具有反常GVD。在微盘谐振器（MDR）中观察到类似结果[51]。然而，产生的梳是噪声的。随后，在MRR和MDR中实现了孤子态[61,64]，涉及低温恒温器环境[61]或辅助激光冷却技术[64,65]。它们都用于应对高腔内功率引起的显著热效应挑战。尽管取得了这些有前景的成果，孤子带宽仍然相对较窄。开发具有倍频程光谱范围的宽带梳——自参考的先决条件——带来了挑战。仔细的色散工程至关重要，因为需要同时保持高Q和高限制性能。虽然成功实现了倍频程KCG，但施加的高泵浦功率引起严重热效应，使孤子产生具有挑战性[52]。对于KCG，波导尺寸通常设计为呈现反常GVD（GVD > 0），因为这是实现光学参量振荡（OPO）相位匹配条件的先决条件。然而，在具有正常GVD（GVD < 0）的MRR中也观察到了KCG，这取决于避免模式交叉（AMX）的存在。本节讨论在具有反常和正常GVD的SiCOI MRR中的KCG和孤子产生。第3.1节聚焦于高限制SiCOI波导中的色散工程和低阈值KCG。在第3.2节中，我们使用实验激光冷却技术演示了宽带孤子微梳的产生。第3.3节展示了多孤子和孤子晶体态的实验结果。第3.4节深入探讨了孤子爆发的动力学和孤子的双向切换。在第3.5节中，我们展示了在正常GVD下由非线性偏振模式耦合引起的SiCOI中的KCG。第3.6节讨论了SiCOI MRR中的暗脉冲Kerr（DPK）梳产生。色散工程至关重要，因为它决定了可实现的梳带宽。高折射率对比度材料平台（如SiCOI）通过控制波导截面尺寸在高效操控色散方面具有优势。图5(a)显示了制造的1-THz-FSR MRR的SEM图像。图5(b)显示了不同波导尺寸的MRR的模拟积分色散（D_int），由波导高度（H）、波导宽度（W）、平板厚度（h）和侧壁角θ（图5(b)插图）表征。这里其中 D_n 代表第n阶色散系数。截面尺寸为950 nm×340 nm（红色）的波导呈现正常色散。通过将 h 调整为100 nm，色散可被操控为反常，从而有助于实现倍频程带宽。这是在泵浦频率两侧两个相位匹配点（色散波）的辅助下实现的。图5. 具有反常GVD的色散工程SiCOI微环谐振器中的KCG。(a) 1-THz-FSR微环谐振器的SEM图像（比例尺：10 µm）。(b) 不同截面几何形状（由插图指示的SiCOI波导示意截面，定义为波导高度H、波导宽度W、平板厚度h和侧壁角θ）的16.5 µm半径波导TE₀₀模式的模拟积分色散。测量的积分色散数据点显示在灰色虚线框中。(c) (b)中波导几何的测量积分色散放大图。(d) 首次产生的FWM边带输出功率与耦合功率的关系。(e) (b)中相应波导几何的器件中KCG的测量光谱。测量的 D_int 值如图5(c)所示，频率轴使用自由光谱范围（FSR）为100 MHz的自由空间腔校准[34]。通过拟合数据，这三种尺寸在1560 nm处的二阶色散（D₂/2π）提取为-171.9（红色）、78.08（蓝色）和51.8（绿色）MHz。因此，蓝色和绿色曲线显示具有反常GVD的MRR适合KCG。不同尺寸器件的相应本征Q值为3.5×10⁶（红色）、1×10⁶（蓝色）和2.4×10⁶（绿色）。我们将带平板器件的Q降低归因于增加的弯曲损耗。由于增强的有效非线性，具有较小 A_eff 的波导有助于降低KCG的阈值功率。尽管750 nm宽MRR相比950 nm宽MRR具有更小的 A_eff（0.38 µm² vs 0.45 µm²），但其Q值低两倍，归因于更多的散射损耗。因此，选择950 nm宽MRR进行OPO和宽带梳表征，因为它们表现出小的反常色散以及相对高的Q因子，这直接影响梳产生的阈值功率（P_th），关系为 P_th ∝ 1/Q²。在测量装置中，泵浦激光在掺铒光纤放大器（EDFA）中放大，并通过边缘耦合耦合到波导的TE₀₀模式。MRR的高Q和相对较小的 A_eff 将阈值功率显著降低至亚毫瓦水平0.29 mW，如图5(d)所示。为产生Kerr梳，泵浦功率进一步增加到80 mW。图5(e)中的蓝色光谱显示了来自750 nm宽波导MRR的梳光谱。仅产生一个色散波（DW）将带宽限制在不到一个倍频程。相反，当MRR的波导宽度增加到950 nm（绿色）时，获得了倍频程梳。这种宽带梳对许多应用很重要，因为倍频程梳有助于f-2f自参考，这对梳稳定至关重要。然而，其噪声态使其实际使用变得困难。低噪声耗散Kerr孤子（DKS）的形成源于腔中损耗和增益的双平衡，以及非线性和色散。当泵浦激光从谐振红失谐时，DKS显现。然而，在宽带梳产生的背景下，MRR上的显著热效应常常阻碍孤子产生。当泵浦激光从谐振的蓝侧调谐到红侧时，高腔内功率往往引起显著的谐振位移。这种热效应在具有大热光（TO）系数的材料如SiC、GaN和AlGaAs中更为明显。在这种情况下获得的梳通常处于噪声态。应注意，色散和腔长可设计为在单腔单泵浦系统中缓解此问题，但迄今为止该方法仅对具有THz重复频率和有限带宽的微梳得到演示[66,67]。热补偿技术如激光冷却[68,69]和双模泵浦[70,71]在促进孤子产生方面有效，且不施加严格的设计约束。在此，我们以激光冷却为例，演示其在SiC平台中用于孤子产生的实现。我们选择了具有对应图5(b)中蓝色曲线色散性质的器件，本征Q为1×10⁶。获得的在158 THz处的DW峰与理论预期吻合良好。图6(b)显示了相应的低频噪声性能，显示从调制不稳定性（MI）（灰色）态噪声显著降低（蓝色），证实了孤子态的成功产生。实现的带宽高达84 THz，泵浦功率63 mW，但仍小于一个倍频程。使用图5(e)所示器件（绿色光谱）实现倍频程孤子需要更好的热补偿，以缓解由于更高腔内功率引起的更严重热效应。图6. 1-THz SiCOI微环谐振器中的孤子产生。(a) 测量的梳光谱和(b) 相应的低频噪声特性。孤子微梳表现出多样的非线性动力学[72]。这种动态行为的一个关键方面是多孤子态的存在及其在泵浦激光调谐期间的切换。在本研究中，我们分析与图6所用尺寸匹配的SiCOI MRR，以探索不同的孤子态。图7(a)和7(b)中显示的实验迹线显示了在不同泵浦功率下监测的梳功率。在48 mW泵浦功率下，当泵浦激光从谐振蓝侧调谐到红侧时，出现了阶梯状特征。这些在图7(a)状态(i)和(ii)中观察到的阶梯通常伴随孤子态，其高度对应MRR内的孤子数（N）。由于采用的激光冷却技术，通过手动调谐泵浦激光频率可稳定访问每个状态。在图7(c)中，状态(i)的光谱揭示了双孤子态，这两个孤子的相对方位角可通过将包络拟合到以下公式确定：其中 ψ 是两个孤子之间的相对方位角，μ 是相对于泵浦位置的梳模式指数，S^(1)(μ) 是从实验数据拟合的 sech² 形状单孤子光谱。使用式(1)拟合光谱得到双孤子态的相对方位角为88°，如图7(c)插图所示。进一步降低泵浦频率最终导致单孤子态（图7(d)）。图7. 1-THz SiCOI微环谐振器中的多孤子态和孤子晶体态。(a, b) 测量的梳功率随泵浦频率降低的变化。耦合泵浦功率分别为48 mW (a)和71 mW (b)。(c, d, e) 测量的梳光谱对应于(a)和(b)中记录的梳功率。(c) 双孤子态的光谱对应于(a)中记录的梳功率(i)。(d) 单孤子态的光谱对应于(a)中记录的梳功率(ii)。(e) 完美双孤子态的光谱对应于(b)中记录的梳功率(iii)。插图指示MRR中的孤子数和孤子位置。除了多孤子形成外，最近的演示还表明DKS表现出有趣的结晶过程[73,74]。这些态是围绕微谐振器周长的孤子脉冲的时间有序系综，称为孤子晶体（SC）。晶体状结构中DKS脉冲的形成与避免模式交叉有关。这些态中的一个特殊情况是完美孤子晶体态，其特征是DKS均匀分布在谐振器圆周上，导致梳线间距为多个FSR。在71 mW泵浦功率下，我们获得了重复频率为两个FSR的孤子光谱（图7(e)），梳功率如图7(b)所示。SC形成依赖于腔内泵浦场的调制[73]，可通过避免模式交叉[74]和精细控制泵浦条件[75]实现。在本研究中，调制由辅助激光通过泵浦和控制场之间的拍频引入，产生周期性腔内势。这种配置为SC形成提供了物理直观的途径，并对产生的态提供了实际的控制程度[76]。因此，该方案适用于合成不同SC态，是配置梳重复频率的有效方法。具有不同孤子数的孤子态之间的切换由微谐振器的热非线性支配。在具有正热光（TO）系数的材料平台中，该过程通常在单向调谐条件下可访问[77]。此外，耗散Kerr孤子（DKS）形成通常在高噪声调制不稳定性（MI）区域中进行。相比之下，最近铌酸锂（LN）微谐振器的演示揭示了一种独特的孤子形成途径，其中自启动DKS态可在没有显著MI区域的情况下出现[78]。这种行为源于LN中的光折变效应，该效应随泵浦功率增加诱导谐振蓝移。结果，光折变和Kerr诱导的谐振位移方向相反，使孤子爆发和孤子态的双向切换成为可能[22]。在使用激光冷却技术的SiCOI MRR中，当泵浦频率向前和向后调谐时观察到类似现象，如图8(a)所示。该器件具有与前一子节相同的截面尺寸，相似的Q因子1×10⁶，但FSR较小为360 GHz。观察到的孤子爆发动力学源于泵浦和辅助激光诱导的热非线性之间的相互作用。在泵浦调谐之前，谐振由辅助激光热红移。当泵浦在孤子存在范围内从红失谐侧进入谐振时（即增加泵浦频率），增加的腔内泵浦功率通过Kerr和热效应进一步红移谐振。这种谐振位移增加了谐振与辅助激光之间的失谐，从而降低了辅助腔内功率并削弱了其热贡献，诱导谐振产生补偿性蓝移。这种动态热平衡稳定了孤子态并使孤子爆发过程成为可能。在我们的实验中，爆发过程始终从三孤子态开始，并随着泵浦频率增加向更高孤子数演化。另一个有趣的特征是泵浦正向和反向调谐期间孤子态的切换，如图8(a)所示。使用激光冷却技术，当系统进入热过度补偿区域时，双向切换成为可能。实验上，当泵浦激光的Q-功率乘积（品质因子与耦合到谐振器的功率的乘积）的变化弱于辅助激光时，即 该区域出现。在该区域中，辅助激光的热贡献主导净热光响应，从而补偿并可能反转有效热光失谐演化。这抑制了热滞后，并在正向和反向调谐期间将泵浦稳定在孤子存在范围内。观察到的行为与报道的hydex微谐振器的双向孤子切换[79]吻合良好。图8. 360-GHz SiCOI MRR中孤子态的双向切换。(a) 当激光频率在几个孤子步长上向前和向后扫描时，测量的梳功率随时间的变化。虚线给出孤子数。(b) 360-GHz微环谐振器测量的梳光谱，分别为(a)多孤子态，(c)双孤子态，和(d)单孤子态。实验发现强调了激光冷却技术作为实现孤子爆发和双向孤子切换的有效方法，这在具有显著正热光（TO）系数的材料平台上难以实现。大多数KCG研究聚焦于具有反常GVD的微谐振器，因为这是实现OPO相位匹配条件的先决条件。然而，近期研究也展示了正常GVD微谐振器中的KCG[11,80,81]。发现KCG源于AMX，它局部改变GVD。引入AMX的常用方法涉及使用多模波导，其中相同偏振的横向模式相互作用[11,80]。其他方法如偏振模式相互作用辅助耦合也已在理论上研究，但尚未实验验证[82]。在此，我们观察到正交偏振横向模式之间的耦合也可导致KCG。图9(a)显示了所表征MRR的测量 D_int，波导几何显示在插图中，Q为5×10⁵，满足正常色散和强AMX的要求。具有测量FSR为106.31 GHz的MRR的SEM图像如图9(b)所示。D₂/2π拟合为-1.35 MHz。色散在特定频率处周期性扰动。TE₀₀和TM₀₀模式的透射光谱如图9(c)所示，说明AMX源于TE₀₀和TM₀₀模式之间的模间耦合。强模式分裂特征表明当谐振频率在约194.2 THz处重叠时两种模式的杂化。在梳产生实验中，我们以125 mW功率泵浦MRR，将激光调谐到不同谐振，并记录梳光谱（图9(d)）。如图9(e)所示，我们泵浦了194.33至195.07 THz的8个不同谐振，梳间距从16 FSR变化到9 FSR。令人惊讶的是，其中一个一阶边带（图9(d)中的虚线）始终锚定在约196.02 THz的相同频率处，这是AMX辅助梳产生的标志[83]。一阶边带锁定到196.02 THz是由于该位置最大的谐振红移（0.62 GHz），表明最强的模式耦合。进一步增加泵浦功率可实现DPK梳的产生[80]。然而，该样品的最大耦合功率受其高耦合损耗限制。图9. 正常GVD SiCOI MRR中的KCG产生。(a) 测量的积分色散，波导几何显示在插图中。(b) 106-GHz-FSR微环谐振器的SEM图像（比例尺：40 µm）。(c) TE₀₀和TM₀₀模式的透射光谱。(d) 不同泵浦频率下的测量梳光谱，其中一个一阶边带保持在约196.02 THz。(e) 梳间距作为泵浦频率的函数。除了横向模式之间的模式耦合外，AMX还可通过顺时针（CW）和逆时针（CCW）传播模式之间的耦合诱导，导致频率简并解除和模式分裂。由于制造缺陷如侧壁粗糙度引起光的后向散射，这种分裂在高Q MRR中常见。或者，更可控的方法涉及使用PhC MRR，允许泵浦激发的模式频率偏移[84]。在此，我们研究具有CW-CCW模式耦合的正常GVD MRR中的DPK梳产生。波导几何为950 nm×340 nm、长度为1004 µm的MRR（图10(a)）的测量透射光谱显示FSR为109.39 GHz，D₂/2π为-2.17 MHz，由测量的D_int曲线拟合确认（图10(b)）。正常GVD条件表明常规Kerr梳在这种MRR中不应预期。干净的透射光谱和色散曲线验证了没有可能导致AMX的横向模式之间的耦合。其中一个谐振的放大视图（图10(c)）揭示了151 MHz的模式分裂速率，足以诱导谐振位移并实现OPO和DPK梳产生。该谐振被选为后续DPK梳产生实验的泵浦谐振。在DPK梳产生实验中，CW激光被放大并通过透镜光纤耦合进出器件。将激光从蓝侧调谐到谐振成功产生了重复频率约109 GHz的梳（图10(d)）。光谱形状和低噪声射频频谱（图10(e)）证实了DPK梳的实现。重要的是，DPK在无任何反馈的情况下在相同梳态保持了数小时。图10. 109-GHz SiCOI MRR中的暗脉冲Kerr梳。(a) 所表征MRR的透射光谱。(b) MRR的测量积分色散。(c) (a)中泵浦谐振的测量（归一化）透射光谱放大图。(d) 109-GHz DPK梳的光学光谱和(e) RF频谱。在SiCOI MRR中成功产生DPK梳显著增强了其在超快太赫兹无线通信[85]中的实际应用，因为与反常微谐振器中产生的传统孤子梳相比，它具有稳定性和更高的泵浦到梳转换效率。总之，我们探索了SiCOI微谐振器的制备、色散工程和动力学，并阐明了其在KCG和宽带孤子微梳产生方面的潜力。通过优化制备方法，我们实现了高Q和高限制SiC微谐振器。通过实施精心设计的色散和采用激光冷却技术，我们成功产生了宽带孤子微梳。激光冷却技术是缓解热效应的有效方法，为SiCOI微谐振器中非线性态的控制提供了多功能手段。此外，我们展示了正常色散微谐振器中的DPK梳产生。综合这些结果，确立了SiCOI作为集成非线性光子学和芯片级光学频率梳系统有前景且多功能的平台。这些成就弥合了长期存在的制造差距，该差距限制了4H-SiC从理论上有前景的材料向可工作的非线性光子平台的转变。这一转变的主要驱动力是该材料的CMOS兼容性，为大规模可扩展性和低成本制造提供了坚实基础。表2提供了4H-SiCOI平台与已建立的硅基材料在关键性能指标上的全面比较。SiC的独特优势之一是其同时具有强的本征χ⁽²⁾和χ⁽³⁾非线性，可支持复杂功能，如单片自参考。这进一步得到大光学损伤阈值的支持，这对于实现高功率孤子和宽光谱带宽至关重要[66]。虽然SiC中的普克尔斯效应弱于铌酸锂，但它为集成调制器提供了一条途径。关于热性质，4H-SiC较高的热光系数对使用单泵浦方案的宽带孤子产生构成挑战。因此，应研究快速泵浦波长扫描、双模泵浦方案和自注入锁定等技术以缓解此问题[77,70,90]。此外，SiC优异的热导率有助于散热。为完全功能化SiCQI平台，需要集成激光器、高性能调制器和光电探测器等有源组件。SiCQI晶圆级制造的成熟度通过采用异质集成等技术[91,92]为大规模集成提供了潜力。表2：不同硅基材料平台关键性能比较。除非另有说明，所有参数均在1.55 μm处。∗回音壁模式。∗∗Si₃N₄波导中的弱限制。这也为新兴应用开辟了新途径。例如，4H-SiC在量子光子学中特别引人关注。4H-SiC承载稳定、高性能色心（如硅空位和双空位）的固有能力允许将单光子发射体与现已证明的高Q非线性谐振器单片集成，促进增强的光-物质相互作用以用于量子信息处理[35,61]。此外，4H-SiC异常宽的透明窗口（0.37–5.6 µm）将SiCOI平台定位为分子光谱学和环境传感的优越候选者，覆盖了氮化硅变得不透明的中红外光谱区域。通过成功弥合高精度制造与功能性非线性系统之间的差距，本研究将4H-SiCOI平台确立为下一代集成非线性和量子光子技术的可扩展、高性能基础。 
