本文是类型b，是一篇综述（review）论文。
基于光学非线性的碳化硅微环谐振器：用于集成非线性与量子光子学
本文由香港科技大学电子与计算机工程学系光子器件实验室的Qianni Zhang、Jiantao Wang和Andrew W. Poon（通讯作者）撰写，于2024年7月28日发表在学术期刊*Photonics*（2024年, 11卷, 701页）。论文主题聚焦于新兴的碳化硅（SiC）光子集成平台，特别是基于绝缘体上碳化硅（Silicon Carbide-on-Insulator, SiCOI）技术的高品质因子微环谐振器，系统性地回顾了其在实现高效非线性频率转换和量子光源方面的材料基础、器件设计、制备工艺及前沿应用。
本文首先阐述了研究背景与动机。传统的硅基光子平台（如硅Si和氮化硅SiN）虽然工艺成熟，但因其中心对称的晶体结构，仅拥有较弱的χ(3)三阶光学非线性，而缺乏更强的χ(2)二阶光学非线性，这限制了其在高效频率转换和确定性量子光源等方面的发展。虽然研究人员尝试通过破坏对称性等方式在硅基材料中引入χ(2)非线性，但硅材料在通信波段存在双光子吸收（Two-Photon Absorption, TPA），氮化硅是绝缘体且无本征χ(2)非线性。因此，学术界和工业界开始关注其他具有本征χ(2)非线性的材料平台，如铌酸锂（LN）、氮化铝（AlN）和III-V族化合物半导体等。在这些材料中，碳化硅因其独特的综合优势而脱颖而出：它属于非中心对称材料，拥有适中的χ(2)和χ(3)非线性；其宽禁带特性消除了通信波段的TPA，有望实现低损耗波导；其透明窗口覆盖可见光到近红外波段；它与成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容，并可制成大尺寸单晶晶圆。因此，SiC被视为一种极具潜力的集成非线性与量子光子学平台。
论文的核心部分详细论述了SiC的材料与光学特性。SiC存在多种晶型（多型体），最常见的是立方结构的3C-SiC和六方结构的4H-SiC、6H-SiC。所有多型体均具有非中心对称结构，因此具备χ(2)非线性和泡克尔斯（Pockels）电光效应。文中通过表格1系统比较了SiC与其他主流χ(2)非线性平台（如Si、SiN、LN、AlN、AlGaAs）的关键参数，包括点群对称性、透明窗口、折射率、二阶非线性系数、电光系数、非线性折射率、热光系数等。具体而言，4H-SiC和6H-SiC具有6 mm点群对称性，拥有较大的d33非线性张量元（约-12 pm/V），适用于Ⅰ型相位匹配；3C-SiC具有43m点群对称性，其非线性张量元为d36=d14=d25，理论值约17 pm/V，适用于Ⅱ型相位匹配。SiC的非线性折射率n2适中，高于SiN，有利于实现克尔（Kerr）非线性效应。论文也客观分析了SiC的不足，例如其电光系数较小，载流子迁移率较低，这分别限制了其低功耗电光调制和高速载流子色散调制的能力。
为了在SiC上制造高光学限制的集成光子器件，论文综述了主流的SiCOI平台制备技术。第一种是离子切割（Ion-cutting）技术，通过氢离子注入、晶圆键合、热致剥离和化学机械抛光等步骤，将SiC薄层转移到氧化硅衬底上。此技术可实现SiC薄膜厚度的优异均匀性，但氢离子注入会引入缺陷，需要高温退火来降低损耗，且6H-SiC的电子迁移率较低。因此，近年来的研究重点转向了4H-SiC。第二种是晶圆键合与减薄（Wafer bonding and thinning）技术，通过对SiC晶圆和氧化硅衬底进行等离子体活化、直接键合，再通过机械研磨和干法/湿法刻蚀将SiC减薄至目标厚度。这种方法可以获得低损耗的4H-SiCOI平台。对于3C-SiC，由于其通常外延生长在硅衬底上，论文介绍了两种转移技术：一是阳极键合（Anodic bonding）到玻璃衬底，二是通过原子层沉积（Atomic Layer Deposition, ALD）二氧化硅作为界面层，采用亲水键合（Hydrophilic bonding）转移到氧化硅衬底上，再去除硅衬底。
高Q值微环谐振器是提升非线性相互作用效率的关键器件结构。论文回顾了SiC微环谐振器的发展历程。从2013年首次在悬空3C-SiC平台上实现Q值1.41万，到近年通过优化制备工艺，Q值得到了显著提升。特别是在4H-SiCOI平台上，多个研究组相继报道了Q值超过百万的微环谐振器，其中最高达到560万，为产生孤子微梳等应用奠定了基础。在3C-SiCOI平台上，通过分子键合和反应离子刻蚀（Reactive-Ion Etching, RIE）等技术，也实现了Q值超过14万的微环谐振器。
在器件设计方面，论文重点分析了针对SiC平台的相位匹配条件设计。对于基于χ(3)非线性的四波混频（Four-Wave Mixing, FWM），关键是实现反常色散。作者使用有限元方法（Finite Element Method, FEM）仿真了不同厚度（600-900 nm）的4H-SiCOI条形波导和3C-SiCOI脊形波导的波导色散。结果显示，通过选择合适的波导几何尺寸，可以在通信波段（1480-1620 nm）为TE00和TM00模式实现反常色散，满足高效FWM的条件。对于基于χ(2)非线性的二阶非线性频率转换（如倍频Second Harmonic Generation, SHG），关键在于克服材料正常色散带来的相位失配。论文详细讨论了模态相位匹配（Modal Phase Matching, MPM）方法。对于4H-SiC，可以利用其双折射特性，结合MPM（如基频TE00模与倍频TM20模匹配）来补偿色散。对于具有43m点群对称性的3C-SiC，由于其有效二阶非线性系数χ_eff^(2)随光场传播方向相对于晶轴的方位角θ呈正弦变化（周期90°），论文阐述了两种设计策略。一种是利用其天然的χ^(2)符号反转特性，采用“4准相位匹配（4-QPM）”方案，通过微环中光场旋转时周期性变化的非线性系数构建光栅，实现准相位匹配。另一种是作者课题组提出的创新设计：采用椭圆形微环谐振器。通过将椭圆的长轴方向与晶轴成45°/135°对齐，可以最大化χ_eff^(2)接近极值（±χ_zxy^(2)/2）的相互作用长度，同时通过调整椭圆环的几何形状（长短轴比）来近似满足相位匹配条件（|Δβ|≈0）。文中给出了椭圆形微环中SHG归一化强度的理论计算公式，分析了其设计原理。
最后，论文总结了SiC微环谐振器在集成非线性与量子光子学中的潜力和价值。SiC平台集成了适中的χ(2)和χ(3)非线性、宽透明窗口、低传输损耗以及与CMOS工艺兼容等优点，为实现芯片化的高效非线性频率转换器（如SHG、差频生成Difference Frequency Generation, DFG）和量子光源（如自发参量下转换Spontaneous Parametric Down-Conversion, SPDC）提供了一个极具竞争力的平台。高Q值微环谐振器的实现进一步增强了非线性相互作用的效率，为构建大规模、多功能的光子集成电路（Photonic Integrated Circuits, PICs）铺平了道路。尽管在电光调制性能等方面存在挑战，但SiC，尤其是4H-SiC和3C-SiC，作为目前唯一的硅基χ(2)非线性材料平台，在推动集成非线性光学、量子信息处理、精密测量和光通信等领域的芯片化应用方面前景广阔。