本报告基于Wang等人发表在《Light: Science & Applications》（2021年第10卷，第139页）上的原创研究论文“High-Q microresonators on 4H-silicon-carbide-on-insulator platform for nonlinear photonics”。该研究由中国科学院上海微系统与信息技术研究所（Chengli Wang, Ailun Yi, Bingcheng Yang等）、华东师范大学（Zhiwei Fang, Rui Bao, Ya Cheng等）及中国科学院大学（Zhe Wang, Liping Zhou等）的多个团队合作完成。通讯作者为Jiaxiang Zhang、Ya Cheng和Xin Ou。
一、 学术背景 本研究属于集成光子学和非线性光子学领域。近年来，片上光学微腔因其能显著增强光与物质的相互作用而备受关注，在高灵敏度传感、光通信滤波器、腔量子电动力学及非线性光学频率转换等方面具有重要应用。微腔的性能核心指标之一是品质因子（Q factor），Q值越高，光在腔内的寿命越长，非线性相互作用的效率也越高。因此，在各种材料平台上实现高Q值微腔是研究者不懈的追求。
碳化硅（SiC），特别是4H晶型的SiC，作为一种成熟的宽禁带半导体材料，因其卓越的材料特性（如宽透明窗口、高折射率、高非线性系数、高导热性、高光学损伤阈值以及与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容等），被视为实现单片集成电子学、量子光子学和非线性光子学的理想平台。然而，长期以来，制备具有超低光学损耗的SiC薄膜面临挑战，这限制了SiC光子学微腔Q值的提升，以往报道的最高Q值仅在10^5量级，成为SiC光子学实际应用的主要障碍。
因此，本研究旨在开发一种具有超低损耗、可扩展至晶圆级的4H-碳化硅绝缘体上硅（4H-SiCOI）光子学平台，并在此基础上制造出创纪录高Q值的微盘谐振腔。进而利用这些高性能微腔，探索和演示多种非线性光学过程，包括高次谐波产生、级联拉曼激光以及宽带克尔频率梳（Kerr frequency comb）生成，以全面展示4H-SiCOI平台在非线性集成光子学中的巨大潜力。
二、 研究流程详解 本研究主要包含两大核心流程：高质量4H-SiCOI材料平台的制备与表征，以及基于此平台的高Q微腔制造、表征与非线性光学实验。
1. 4H-SiCOI材料平台的制备与表征 * 工艺流程：研究团队采用了晶圆键合与减薄技术来制备具有“原始”材料质量的4H-SiCOI衬底。具体步骤如下：(a) 将4英寸高纯半绝缘4H-SiC晶圆与热氧化的硅衬底在室温下通过等离子体表面活化进行直接键合，形成SiC-SiO2-Si结构。(b) 为了增强键合强度，在氮气环境中对键合晶圆进行600°C退火处理8小时。© 通过机械研磨将SiC层从初始的500 μm厚度减薄至10 μm以下。(d) 将晶圆切割成10×12 mm的芯片，每个芯片再通过电感耦合等离子体（ICP）反应离子刻蚀（RIE）和化学机械抛光（CMP）进一步减薄至目标厚度（例如800 nm ± 80 nm）。 * 表征：通过照片和厚度测量（图1b， c）展示了制备的4英寸晶圆级4H-SiCOI衬底，其中超过95%的SiC薄膜保持完好，且超过60%区域的厚度均匀性在2-4 μm范围内。最终芯片的厚度均匀性（图1d）足以支持片上光子集成电路的制造。
2. 高Q微盘谐振腔的制备与表征 * 制备方法：采用了一种结合飞秒激光微加工和化学机械抛光（CMP）的新型制造工艺，该方法先前曾用于实现超高Q值的铌酸锂谐振腔。流程如下：(a) 在准备好的4H-SiCOI芯片上，利用飞秒激光聚焦光斑（~1 μm直径）进行微加工，刻蚀出微盘图形。(b) 通过CMP工艺抛光微盘的顶面和侧壁，以消除飞秒激光烧蚀带来的粗糙度，这是获得超高Q值的关键步骤。原子力显微镜（AFM）测量显示抛光后的表面均方根粗糙度低至0.1 nm。© 在稀释的氢氟酸（HF）溶液中腐蚀掉支撑微盘的SiO2层，形成悬空的微盘谐振腔（图1e-g）。 * 表征系统：使用锥形光纤（腰围约1 μm）与微盘进行倏逝波耦合，将光输入和输出谐振腔。测试系统包括可调谐连续波激光器、偏振控制器、掺铒光纤放大器、光电探测器、示波器、光学频谱分析仪（OSA）和紫外-可见光谱仪，用于表征谐振腔的Q值和非线性光学特性。 * Q值统计分析：为了准确评估微腔的性能，研究团队没有仅报告单个最高的Q值，而是对同一器件中数十个不同模式族的共振峰进行了统计直方图分析。对一个直径160 μm、厚度800 nm的器件进行测量，在1561.5 nm波长附近观测到典型的基本横向电（TE）模式共振峰。通过洛伦兹拟合得到其半高全宽为41 MHz，对应的负载Q值为4.7×10^6。通过测量归一化传输深度，计算出其本征Q值高达7.1×10^6。对于基本横向磁（TM）模式，也测得了7.0×10^6的本征Q值。统计数据显示（图2c, e），TE模式和TM模式族本征Q值的最概然值分别为6.75×10^6和6.25×10^6。这些结果表明，该4H-SiCOI平台实现了迄今为止报道的SiC光子微谐振腔中的最高Q值。
三、 主要实验结果详述 研究团队利用所制备的高Q值4H-SiC微腔，系统地演示了多种非线性光学现象，充分发掘了SiC材料同时具备二阶和三阶非线性效应的优势。
1. 高次谐波产生 当泵浦激光波长在1530-1570 nm范围内调谐，且输入功率为10 mW时，在微盘中观察到了从红色到紫色多个波段的可见光发射（图4a-d）。通过光谱仪和OSA记录到的光谱（图4e）明确显示了位于776.3 nm、517.5 nm和388.0 nm的发射峰，它们分别精确对应于泵浦波长（1552.6 nm）的二分之一、三分之一和四分之一，证实了二阶、三阶和四阶谐波（SHG， THG， FHG）的产生。其中，三阶和四阶谐波在片上的SiC光子器件中是首次报道。 此外，研究团队测量了SHG输出功率与输入功率的依赖关系（图4f）。数据显示SHG强度与输入功率的平方成正比，符合二阶非线性过程的预期。拟合得到的归一化SHG转换效率约为3.91% W^{-1}。论文指出，这一效率主要受限于锥形光纤对可见光信号的收集效率，若通过物镜空间收集或设计相位匹配条件进行优化，转换效率有望再提升两个数量级以上。
2. 级联拉曼激光 在直径160 μm、厚度800 nm的微腔中，当泵浦功率超过9 mW时，观察到了波长为1603.3 nm的拉曼激光（图5a）。该斯托克斯线与泵浦光（1552.2 nm）的频率偏移为204.03 cm^{-1}，对应于单晶SiC中E2(TA)声子支。随着泵浦功率继续增加，首先出现了一阶拉曼频率梳（Raman comb），随后出现了二阶拉曼激光。有趣的是，这两个过程不能同时存在，表明拉曼梳与级联拉曼激光之间存在竞争关系。测量结果显示，一阶拉曼激光的阈值泵浦功率为10 mW，而级联二阶拉曼激光的阈值泵浦功率为14 mW（图5b， c）。这是首次在SiC光子结构中演示受激拉曼激光及其级联过程。
3. 克尔频率梳生成 为了产生宽带频率梳，除了高Q值，微腔还需要具有反常群速度色散以补偿自相位调制和交叉相位调制引起的非线性相移。研究团队通过有限元模拟，计算并设计了微腔的几何尺寸（半径和厚度）以调控色散特性（图6）。他们选择了一个半径100 μm、厚度850 nm的微盘，其基本TM模式在目标波长附近呈反常色散。 在实验中，向该微腔注入连续波泵浦光。当泵浦功率约为10 mW时，观测到了光学参量振荡（OPO）的初始状态，产生了第一阶斯托克斯线和反斯托克斯线，以及由拉曼效应产生的二阶信号（图7a）。通过微调泵浦波长至1544.848 nm附近，拉曼相关信号消失，而OPO振荡持续存在，表明可以通过调节泵浦频率来控制OPO与拉曼振荡之间的功率转移。当注入的泵浦功率增加到13 mW时，成功激发了宽带克尔频率梳，其光谱覆盖范围从1300 nm到1700 nm，跨度约400 nm（图7c）。观测到的梳齿形状表明其为调制不稳定性（MI）频率梳。论文指出，SiC的热光系数与氮化硅（Si3N4）相当，且在当前实验中已实现了对拉曼效应的规避，这为未来在该平台上通过时域扫描技术产生孤子（soliton）频率梳提供了良好前景。
四、 结论与研究意义 本研究的结论是，成功开发了一种低损耗、色散可工程化的4H-SiCOI光子学平台，并实现了晶圆级扩展的潜力。在此平台上制造出了平均Q因子高达6.75×10^6的微谐振腔，最高本征Q值达到7.1×10^6。利用这些器件，首次在片上SiC光子器件中观察到了三阶和四阶谐波产生，演示了级联拉曼激光，并实现了低阈值OPO和宽带（~400 nm）克尔频率梳的生成。
本研究的科学价值和应用价值重大。首先，它突破了SiC光子微腔Q值的瓶颈，将Q值提升了一个数量级以上，证明了通过键合减薄技术可以获得接近体材料质量的SiCOI薄膜，为高性能SiC集成光子器件的发展奠定了关键的材料与工艺基础。其次，该工作全面展示了4H-SiC作为一种多功能非线性光子学平台的强大能力：其同时具备显著的二阶（χ(2)）和三阶（χ(3)）非线性效应，能够支持从谐波产生（二阶、三阶、四阶）到受激拉曼散射，再到宽带克尔频率梳生成等一系列丰富的非线性过程。这为在单一芯片上实现复杂的多波长光源、光频梳生成和量子光源等应用开辟了新途径。最后，结合SiC材料固有的CMOS兼容性、高导热性、高光学损伤阈值以及可寻址自旋量子比特等特性，该平台有望实现电子学、量子信息处理和非线性光子学的单片集成，具有重要的应用前景。
五、 研究亮点 1. 创纪录的高Q值：实现了Q值高达7.1×10^6的SiC微谐振腔，这是已报道的SiC光子微腔中的最高水平，为高效非线性光学过程提供了必要条件。 2. 创新的制备工艺：结合了晶圆键合减薄技术（保证材料质量）和飞秒激光微加工结合CMP抛光技术（实现超光滑表面），成功制备了高性能悬空微盘谐振腔。 3. 全面的非线性功能演示：在同一平台上，系统性地演示了SHG、THG、FHG、级联拉曼激光和宽带克尔频率梳等多种非线性光学现象，首次在片上SiC器件中报道了THG、FHG和级联拉曼激光。 4. 材料特性的深入对比分析：论文不仅展示了结果，还对SiC的关键特性（如拉曼增益和光折变效应）与常用的铌酸锂（LiNbO3）平台进行了对比。研究表明，SiC的拉曼增益和线宽低于LiNbO3，且在高功率泵浦下观察到的是热光效应主导的红移，而非LiNbO3中常见的光折变效应导致的蓝移，表明SiC在高光学功率处理方面更具优势。 5. 色散工程与频率梳控制：通过理论计算和实验设计，实现了对微腔色散（从正常到反常）的调控，并展示了通过调节泵浦波长可以控制拉曼效应与克尔频率梳生成之间的竞争关系，为获得稳定、可控的频率梳输出提供了指导。
这项研究标志着4H-SiCOI高性能光子学平台发展的一个重要里程碑，其展示的高Q值和多样化的非线性功能，将为基于该平台的经典及量子应用铺平道路。