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Sep 28, 2023

Rapports scientifiques volume 5, Numéro d'article : 17005 (2015) Citer cet article

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Le carbure de silicium (SiC) présente d'excellentes propriétés matérielles attrayantes pour de larges applications. Nous démontrons les premiers microrésonateurs optomécaniques SiC qui intègrent une haute fréquence mécanique, une haute qualité mécanique et une haute qualité optique dans un seul dispositif. Le mode mécanique à respiration radiale a une fréquence mécanique jusqu'à 1,69 GHz avec un Q mécanique autour de 5500 dans l'atmosphère, ce qui correspond à un produit fm · Qm aussi élevé que 9,47 × 1012 Hz. Le fort couplage optomécanique nous permet d'exciter et de sonder efficacement l'oscillation mécanique cohérente par ondes optiques. Les dispositifs démontrés, combinés aux propriétés thermiques supérieures, à l'inertie chimique et aux caractéristiques de défaut du SiC, présentent un grand potentiel pour les applications en métrologie, en détection et en photonique quantique, en particulier dans des environnements difficiles qui sont difficiles pour d'autres plateformes de dispositifs.

Les résonateurs optomécaniques couplent mutuellement les cavités optiques et les résonateurs mécaniques par le biais d'interactions optomécaniques médiées par les forces de pression de rayonnement. Avec la capacité exceptionnelle de sonder et de contrôler le mouvement mécanique mésoscopique jusqu'au niveau quantique unique, les résonateurs micro/nano-optomécaniques ont été étudiés de manière intensive ces dernières années, montrant de grandes promesses pour de larges applications dans la détection, le traitement de l'information, la métrologie temps/fréquence et la physique quantique1 ,2,3,4,5,6. À ce jour, diverses structures optomécaniques6 ont été développées sur une variété de plates-formes matérielles, notamment la silice7, le nitrure de silicium8, le silicium9, l'arséniure de gallium10, le nitrure d'aluminium11, le diamant12, le verre phospho-silicate13 et le phosphure de gallium14. En général, l'optomécanique de la cavité repose de manière critique sur le matériau sous-jacent du dispositif, nécessitant non seulement une transparence optique élevée et un indice de réfraction élevé pour prendre en charge les modes optiques de haute qualité et fortement confinés, mais également une grande vitesse acoustique et un faible amortissement du matériau pour prendre en charge le haut- fréquences et résonances mécaniques de haute qualité.

Le carbure de silicium (SiC) est bien connu pour ses propriétés thermiques, optiques, mécaniques et chimiques exceptionnelles15, avec de nombreuses applications dans l'électronique haute puissance, les capteurs micromécaniques, les dispositifs biomédicaux et les télescopes astronomiques16,17,18. Au cours des dernières années, des efforts importants ont été consacrés au développement de dispositifs micro/nanophotoniques à base de SiC19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30, fortement séduits par ses propriétés optiques non linéaires26 ,28 et caractéristiques des défauts31,32. D'autre part, des études théoriques récentes33,34,35 montrent que le SiC présente une qualité mécanique intrinsèque significativement supérieure aux autres matériaux, avec un produit fréquence-qualité théorique (fm ⋅ Qm) ~3 × 1014 à température ambiante, en raison de sa diffusion phonon-phonon qui domine la perte mécanique intrinsèque dans le régime des fréquences micro-ondes. La qualité mécanique intrinsèque élevée, associée aux propriétés optiques exceptionnelles, fait du SiC une excellente plate-forme matérielle pour les applications optomécaniques. Malheureusement, la rigidité mécanique et l'inertie chimique supérieures du SiC imposent un défi important à la fabrication de dispositifs micro-/nano-photoniques avec des qualités optiques et mécaniques élevées, ce qui entrave sérieusement la réalisation de fonctionnalités optomécaniques sur la plate-forme SiC.

Dans cette lettre, nous démontrons les premiers microrésonateurs optomécaniques SiC qui présentent un couplage optomécanique significatif avec un coefficient allant jusqu'à |gom|/2π ≈ (61 ± 8) GHz/nm, ce qui nous permet d'actionner et de caractériser efficacement les mouvements mécaniques mésoscopiques par optique moyens. En optimisant la structure de l'appareil et le processus de fabrication, nous sommes en mesure d'obtenir simultanément une qualité optique élevée, une fréquence mécanique élevée et une qualité mécanique élevée dans un seul appareil. Les modes de galerie de chuchotement présentent des qualités optiques élevées autour de ~ 3,8 × 104. Les modes mécaniques à respiration radiale présentent des fréquences jusqu'à 1,69 GHz et des qualités mécaniques autour de 5500. Le produit fm ⋅ Qm correspondant est de 9,47 × 1012, qui est la valeur la plus élevée pour le mode acoustique de volume fondamental dans le SiC démontré à ce jour36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47, au meilleur de nos connaissances.

Les hautes performances des microrésonateurs optomécaniques démontrés montrent que les dispositifs SiC sont maintenant prêts pour de larges applications optomécaniques. Avec les propriétés thermiques et chimiques supérieures du matériau SiC15, les dispositifs optomécaniques SiC sont particulièrement attrayants pour la détection optomécanique, telle que la détection de déplacement, de force, de masse et d'inertie, en particulier dans les environnements difficiles qui sont difficiles pour d'autres plates-formes de dispositifs. D'autre part, les microrésonateurs optomécaniques SiC, en combinaison avec les non-linéarités optiques importantes du SiC26,28 et les caractéristiques de défaut uniques31,32, sont très prometteurs pour la réalisation de circuits hybrides micro/nanophotoniques pour la nano-optomécanique, la photonique non linéaire intégrée et la photonique quantique.

Les dispositifs que nous avons utilisés sont des microrésonateurs en carbure de silicium (SiC) de type cubique (3C) reposant sur des socles en silicium. Le processus de fabrication du dispositif est décrit dans Méthodes. La figure 1 (a) montre les dispositifs fabriqués de différents rayons avec des parois latérales lisses et des contre-dépouilles finement contrôlées. Le processus de fabrication est optimisé pour produire des parois latérales lisses, qui sont essentielles pour minimiser la perte de diffusion des modes optiques. Les contre-dépouilles du dispositif sont optimisées pour réduire la perte de serrage, ce qui améliore les qualités mécaniques des modes de respiration radiale.

( a ) L'image au microscope électronique à balayage (SEM) montre les microdisques 3C-SiC fabriqués avec différents rayons assis sur des socles en silicium. Le socle du plus petit microdisque est contrôlé de manière critique pour optimiser la qualité mécanique du mode de respiration radiale. Le plus petit microdisque est plus sombre en raison du dépôt de carbone dans le processus SEM. (b, c) illustrent les profils de mode pour un mode optique de galerie de chuchotement et le mode mécanique d'étirement radial fondamental, respectivement, avec les encarts montrant la vue en coupe. Les deux profils de mode sont simulés par des méthodes d'éléments finis.

Le microrésonateur présente des modes optiques de galerie de murmures (Fig. 1b) qui produisent une pression de rayonnement le long de la direction radiale pour actionner les modes mécaniques fondamentaux de respiration radiale (Fig. 1c), qui à leur tour modifient la longueur de la cavité et modifient ainsi la fréquence de résonance optique. . La réaction dynamique résultante entre le champ optique et le mouvement mécanique peut être utilisée pour exciter et sonder le mouvement mécanique cohérent, avec une efficacité dépendant de la force de couplage optomécanique. Pour un résonateur optomécanique à microdisque avec un rayon de r, le coefficient de couplage optomécanique évolue comme gom ≈ -ωo/r, où ωo représente la fréquence de résonance optique. Les simulations détaillées par la méthode des éléments finis (FEM) montrent qu'un microdisque SiC d'un rayon de 2 μm et d'une épaisseur de 700 nm présente des coefficients de couplage optomécaniques de |gom|/(2π) = 89 et 73 GHz/nm, respectivement , pour les modes fondamentaux et de second ordre de type transverse-électrique (de type TE), qui correspondent à une forte force de pression de rayonnement de |ħgom| = 59 et 48 fN produits par chaque photon, respectivement. La simulation FEM indique que le mode mécanique fondamental de respiration radiale de l'appareil présente une masse motionnelle effective de meff = 22 picogrammes. En conséquence, le taux de couplage optomécanique du vide, , est aussi grand que |g0|/(2π) = 42 kHz pour les modes fondamentaux de type TE dans le dispositif.

Les propriétés optiques des dispositifs sont testées par une configuration de couplage fibre-dispositif illustrée à la Fig. 2. Un laser accordable est lancé dans les dispositifs par couplage évanescent à travers une fibre optique effilée. La transmission de la cavité est couplée par la même fibre conique puis enregistrée par des détecteurs rapides. La longueur d'onde laser est calibrée par un interféromètre Mach-Zehnder. Une trace de transmission de cavité typique est illustrée à la Fig. 3 (a) avec plusieurs modes optiques à Q élevé. Trois modes optiques de différentes familles de modes présentent tous des qualités optiques autour de 3,8 × 104 (Fig. 3 (b)). Les conditions de couplage de ces modes peuvent être facilement réglées du sous-couplage, du couplage critique au surcouplage en réglant la distance fibre-dispositif. Par exemple, les modes de cavité situés autour de 1528 nm et 1553 nm sont presque couplés de manière critique dans ce cas.

(a) La configuration expérimentale pour le schéma pompe-sonde optique. VOA, MUX et DEMUX représentent respectivement un atténuateur optique variable, un multiplexeur et un démultiplexeur. (b) Une illustration du schéma pompe-sonde.

( a ) Transmission de cavité d'un microrésonateur optomécanique SiC typique. (b) Trois modes de cavité ont des qualités optiques intrinsèques d'environ 3,8 × 104, avec des données expérimentales en bleu et un ajustement théorique en rouge.

La haute qualité optique des modes de galerie de chuchotement, combinée au fort couplage optomécanique, permet une excitation et un sondage efficaces du mouvement mécanique. Pour ce faire, nous lançons une onde optique (l'onde de pompe) dans une résonance de cavité, avec une puissance modulée sinusoïdalement à une fréquence autour de la fréquence de résonance mécanique. Le principe de fonctionnement est illustré sur la figure 2(b). Une modulation sinusoïdale de la puissance optique conduit à une pression de rayonnement sinusoïdale variant dans le temps qui actionne le mouvement mécanique de respiration radiale de manière cohérente via le fort couplage optomécanique. Pour sonder une telle excitation optomécanique, nous lançons une faible onde optique à onde continue (l'onde de sonde) à une résonance de cavité différente. L'excitation optomécanique cohérente module le champ de la sonde à l'intérieur de la cavité via le couplage optomécanique, qui est à son tour transduit à la sortie de la cavité. La figure 2 (a) montre schématiquement la configuration des tests d'expérience, avec des informations plus détaillées données dans les méthodes. Les appareils sont testés à température ambiante dans l'environnement atmosphérique.

Une analyse détaillée de la dynamique optomécanique montre que la puissance de sonde modulée, δPs(Ω), à la fréquence de modulation Ω, détectée à la transmission de la cavité est donnée par

où δUp(Ω) représente l'énergie modulée de la pompe intra-cavité. Hs(Δs) est la fonction de transduction de la cavité du mode sonde. Les expressions détaillées de δUp(Ω) et Hs(Δs) peuvent être trouvées dans la réf. 26. Éq. (1) inclut à la fois l'effet optomécanique et l'effet Kerr optique. Le premier terme décrit la réponse optomécanique, où Ωm et Γm sont respectivement la fréquence et le taux d'amortissement du mode mécanique. Le deuxième terme contenant γs décrit la réponse non linéaire de Kerr, où n0 et n2 sont respectivement l'indice de réfraction et le coefficient non linéaire de Kerr du SiC. ω0s est la fréquence de résonance du mode sonde et Veff représente le volume effectif du mode optique.

Nos appareils tombent dans le régime non résolu de la bande latérale, où la fréquence mécanique est beaucoup plus petite que la largeur de raie optique6. Dans ce régime, l'éq. (1) peut être simplifié en

où δPd(Ω) représente la puissance de pompe modulée tombée à l'intérieur de la cavité. Γ0p est le taux de décroissance intrinsèque des photons du mode pompe. Γ0s et Γts représentent respectivement le taux de décroissance intrinsèque et total des photons du mode sonde. Γes représente son taux de couplage externe. Δs = ωs − ω0s est le désaccord de la cavité laser de l'onde sonde.

Dans les expériences, le mode optique est généralement proche des conditions de couplage critiques, Γ0s = Γes, et le désaccord laser pour le mode sonde est réglé autour de la moitié de la largeur de raie totale de la cavité Δs ~ Γts/2. En conséquence, l'éq. 2 réduit considérablement à

L'équation (3) montre clairement la dépendance linéaire du signal de sonde transduit sur les qualités optiques des modes pompe et sonde. De plus, il dépend quadratiquement du coefficient de couplage optomécanique gom puisque l'effet optomécanique non seulement pilote le mode mécanique par le faisceau pompe modulé, mais transmet également le mouvement mécanique au faisceau sonde. Par conséquent, un couplage optomécanique important et une qualité optique élevée dans les dispositifs conduiraient à une excitation et une transduction optomécaniques efficaces par les ondes de pompe et de sonde.

Les équations (1) à (3) montrent qu'en balayant la fréquence de modulation, on peut obtenir la réponse mécanique du mode de respiration radiale. La figure 4(b) montre trois exemples de dispositifs avec des rayons différents de 2, 4,25 et 6 μm, respectivement. Les modes mécaniques à respiration radiale présentent des fréquences mécaniques distinctes dans ces appareils, mais tous avec un Q mécanique supérieur à 5000. La légère asymétrie spectrale sur les spectres mécaniques est principalement due à l'interférence de type Fano entre la réponse mécanique à bande étroite et le fond à large bande de la réponse non linéaire de Kerr optique (voir l'équation (2)). Une comparaison des spectres optomécaniques enregistrés avec la théorie déduit un coefficient de couplage optomécanique de |gom|/(2π) = (61 ± 8) GHz/nm pour le dispositif 2 μm. Ceci est inférieur à la valeur simulée FEM (89 GHz/nm), qui tient compte de la pression de rayonnement de la frontière diélectrique mobile. L'écart est probablement dû à la contribution électrostrictive dans le matériau diélectrique48. Nous caractérisons également les dispositifs avec différents rayons pour cartographier la dépendance de la fréquence mécanique. Comme le montre la figure 4 (a), la fréquence mécanique du mode de respiration radiale évolue inversement avec le rayon de l'appareil. En comparant les données expérimentales (points bleus) avec la prédiction théorique (courbe rouge), nous déduisons que le module de Young est de 390 GPa, ce qui est cohérent avec les mesures précédentes de films épitaxiaux 3C-SiC sur des substrats de silicium49.

(a) Les fréquences mécaniques des modes mécaniques fondamentaux d'étirement radial sont inversement proportionnelles aux rayons des microdisques. Les points expérimentaux sont en bleu et la courbe d'ajustement est en rouge. L'encart représente le déplacement d'un mode d'étirement radial mécanique fondamental typique, avec les bords géométriques soulignés en noir. ( b ) Spectres de transduction mécanique normalisés des microdisques de carbure de silicium avec des rayons de 2, 4, 25 et 6 μm, illustrés de gauche à droite. Les points expérimentaux sont en bleu et les courbes d'ajustement sont en rouge. Les données sont ajustées par Eq. 2. Les microdisques en carbure de silicium maintiennent des facteurs Q mécaniques élevés autour de 5 500 pour tous les appareils.

Un facteur de mérite critique pour les résonateurs mécaniques est le produit fm ⋅ Qm, qui quantifie le degré de découplage du mouvement mécanique du réservoir thermique environnemental6. La figure 5 résume le produit fm ⋅ Qm rapporté à ce jour pour les résonateurs micro/nanomécaniques SiC36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,50,51,52,53. En général, les résonateurs micro/nanomécaniques SiC de type pont et porte-à-faux présentent des produits fm ⋅ Qm faibles, avec un amortissement mécanique dominé par la perte de serrage mécanique. Pour atténuer la perte de serrage, des modes OBAR (overtone-bulk-acoustic-resonator) d'ordre élevé sont utilisés pour stocker l'énergie mécanique sur de nombreuses longueurs d'onde mécaniques50,51,52,53, ce qui nécessite cependant une grande taille d'appareil nettement supérieure à la longueur d'onde mécanique qui limite sérieusement la miniaturisation et l'intégration du dispositif.

Les produits fréquence-qualité des résonateurs mécaniques SiC.

Les carrés bleus, les triangles verts, les cercles rouges et les étoiles jaunes représentent respectivement les ponts, les porte-à-faux, les microdisques et les résonateurs acoustiques harmoniques en vrac (OBAR). Les lignes noires en pointillés montrent les lignes de produits égales fm ⋅ Qm de 1014 Hz (en haut à droite) à 108 Hz (en bas à gauche).

En revanche, nos résonateurs optomécaniques fonctionnent dans le mode acoustique fondamental de respiration radiale, avec une petite taille de dispositif comparable à la longueur d'onde mécanique. Par exemple, le dispositif avec un rayon de 2 μm présente une fréquence de 1,69 GHz et un Q mécanique de 5589 (Fig. 4(b)), ce qui correspond à un produit fm ⋅ Qm de 9,47 × 1012 Hz. Ce produit est parmi les plus grandes valeurs rapportées à ce jour des dispositifs SiC36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,50,51,52,53, comme le montre la Fig. 5. En fait, notre appareil a le plus grand produit fm ⋅ Qm parmi les microrésonateurs optomécaniques de type galerie de chuchotement fabriqués à partir de divers matériaux7,10,11,13,14,54,55, comme indiqué dans le tableau 1. Cette valeur est toujours d'environ un ordre de grandeur inférieur au produit théorique fm ⋅ Qm33,34,35, ce qui implique que la limitation de courant ne repose pas sur la perte mécanique intrinsèque du matériau SiC, mais sur des facteurs pratiques tels que la gravure de l'appareil, le serrage du pilier et l'amortissement de l'air. Nous prévoyons donc une amélioration du produit fm ⋅ Qm dans le futur après une optimisation supplémentaire de la structure du dispositif et du processus de fabrication. Le tableau 1 montre également que les dispositifs SiC actuels ont des qualités optiques inférieures à celles des dispositifs optomécaniques de pointe dans d'autres matériaux. Nous optimisons actuellement le processus de fabrication pour améliorer la qualité optique du SiC pour des applications optomécaniques pratiques.

Nous avons démontré les premiers résonateurs optomécaniques SiC dans des microdisques 3C-SiC qui présentent un fort couplage optomécanique et d'excellentes qualités mécaniques, avec un produit fm ⋅ Qm aussi élevé que 9,47 × 1012 Hz. Les hautes performances des dispositifs démontrés impliquent que les dispositifs optomécaniques SiC présentent un grand potentiel pour les applications de métrologie et de détection, en particulier pour détecter le déplacement, la force, la masse et l'accélération/rotation avec une sensibilité élevée. En combinaison avec la propriété thermique supérieure du SiC, son inertie chimique, sa tension de claquage élevée, les dispositifs optomécaniques SiC sont très prometteurs pour les applications dans divers environnements difficiles, tels que ceux à haute température, produits chimiques réactifs, fluide biologique ou champ électrique élevé15,16, 42,56,57,58, qui sont difficiles pour d'autres plates-formes d'appareils.

D'autre part, les microrésonateurs optomécaniques SiC présentent une fréquence mécanique échelonnable par le rayon du dispositif. En particulier, le microdisque SiC d'un rayon de 2,5 μm présente une fréquence mécanique de 1,33 GHz (voir Fig. 4), ce qui correspond à la division en champ nul des états fondamentaux de spin des défauts ponctuels dans 3C-SiC31,32. Par conséquent, le mode mécanique collectif à Q élevé est potentiellement capable d'interagir de manière cohérente avec les états fondamentaux du spin du défaut via un couplage induit par la contrainte. Ce mécanisme, en combinaison avec le couplage photon-spin dans SiC24,25 et l'interaction photon-photon via les non-linéarités significatives χ(2) et χ(3)26,28 de SiC, a un grand potentiel pour former un hybride micro-/nano-photonique. circuit qui couple mutuellement photon, spin de défaut et phonon acoustique pour des fonctionnalités optiques non linéaires, optiques quantiques et optomécaniques.

La structure de dispositif que nous avons utilisée est constituée de microdisques en carbure de silicium de type cubique (3C-SiC) reposant sur des socles en silicium. Une résistance à faisceau d'électrons haute définition (ZEP520A) est utilisée pour modeler le masque de chrome (Cr) avec un plasma à base de chlore par gravure ionique réactive (RIE). Le masque Cr est ensuite utilisé comme masque dur pour graver SiC avec un plasma à base de fluor par RIE à plasma à couplage inductif. Le résidu de Cr est ensuite libéré par CR-14, un agent d'attaque au Cr et le substrat de silicium est sapé par de l'hydroxyde de potassium. Le dispositif est ensuite recuit à 1100°C pendant 2 heures. La figure 1 montre les dispositifs fabriqués de différents rayons avec des parois latérales lisses et des contre-dépouilles finement contrôlées. Plus de détails de fabrication peuvent être trouvés dans la réf. 25.

La configuration expérimentale est présentée en détail sur la figure 2 (a). Une onde laser intensive est modulée de manière sinusoïdale en amplitudes par un modulateur au niobate de lithium. La fréquence de modulation est balayée par un analyseur de réseau. Le laser de pompe est atténué par un atténuateur optique variable (VOA) à ~80 μW. Le laser sonde est maintenu 10 dB plus petit que le faisceau pompe par un autre VOA. L'effet thermique est négligeable pour les puissances de fonctionnement dans les appareils. Les contrôleurs de polarisation sont utilisés pour modifier les polarisations des faisceaux laser en modes de cavité employés. Un multiplexeur à multiplexage par répartition en longueur d'onde grossière (CWDM) est utilisé pour combiner les faisceaux pompe et sonde et les lancer dans la cavité. Le faisceau de pompe modulé entraîne le mode mécanique, le déplacement mécanique étant traduit par la gigue des fréquences de résonance de la cavité. Les faisceaux pompe et sonde sont ensuite séparés par le démultiplexeur CWDM. Le détecteur 1, avec 90% de transmission du faisceau sonde, est collecté par l'analyseur de réseau. L'analyseur de réseau balaye les fréquences de modulation et détecte simultanément le signal aux mêmes fréquences. Les détecteurs 2 et 3 sont utilisés pour verrouiller les cavités laser aux modes sonde et pompe, respectivement. Les modes optiques que nous avons utilisés dans les expériences sont des modes d'ordre élevé, qui peuvent être facilement couplés de manière critique par la fibre conique actuelle. Le couplage optomécanique peut être amélioré en accédant aux modes fondamentaux via un couplage de fibre conique plus fine ou de guide d'ondes.

Comment citer cet article : Lu, X. et al. Microrésonateurs optomécaniques en carbure de silicium haute fréquence et haute qualité. Sci. Rep.5, 17005 ; doi : 10.1038/srep17005 (2015).

Kippenberg, TJ & Vahala, KJ Optomécanique de la cavité : contre-action à l'échelle méso. Sciences 321, 1172-1176 (2008).

Article CAS ADS Google Scholar

Favero, I. & Karrai, K. Optomécanique des cavités optiques déformables. Photon Nature. 3, 201-205 (2009).

Article CAS ADS Google Scholar

Marquardt, F. & Girvin, SM Optomécanique. Physique 2, 40 (2009).

Article Google Scholar

Thourhout, DV & Roels, J. Actionnement de dispositif optomécanique par la force de gradient optique. Photon Nature. 4, 211-217 (2010).

Annonces d'article Google Scholar

Poot, M. & van der Zant, HSJ Systèmes mécaniques en régime quantique. Phys. Rep. 511, 273–335 (2012).

Annonces d'article Google Scholar

Aspelmeyer, M., Kippenberg, TJ & Marquartdt, F. Optomécanique de la cavité. Rév. Mod. Phys. 86, 1391-1452 (2014).

Annonces d'article Google Scholar

Kippenberg, TJ, Rokhsari, H., Carmon, T., Scherer, A. & Vahala, KJ Analyse de l'oscillation mécanique induite par la pression de rayonnement d'une microcavité optique. Phys. Rév. Lett. 95, 033901 (2005).

Article CAS ADS Google Scholar

Thompson, JD et al. Couplage dispersif fort d'une cavité de haute finesse à une membrane micromécanique. Nature 452, 72–75 (2008).

Article CAS ADS Google Scholar

Eichenfield, M., Chan, J., Camacho, R., Vahala, KJ & Painter, O. Cristaux optomécaniques. Nature 462, 78–82 (2009).

Article CAS ADS Google Scholar

Ding L. et al. Résonateur disque nano-optomécanique GaAs haute fréquence. Phys. Rév. Lett. 105, 263903 (2010).

Annonces d'article Google Scholar

Xiong, C., Sun, X., Fong, KY et Tang, HX Résonateurs optomécaniques intégrés à haute fréquence en nitrure d'aluminium. Appl. Phys. Lett. 100, 171111 (2012).

Annonces d'article Google Scholar

Rath, P., Khasminskaya, S., Nebel, C., Wild, C. & Pernice WHP Circuits optomécaniques intégrés au diamant. Nat. Commun. 4, 1690 (2013).

Annonces d'article Google Scholar

Rocheleau, TO et al. Amélioration du Q mécanique pour les oscillateurs optomécaniques à faible bruit de phase. Proc. IEEE Int. Conf. MEMS, 118-121 (2013).

Mitchell, M., Hryciw, AC & Barclay, PE Optomécanique de la cavité dans les microdisques de phosphure de gallium. Appl. Phys. Lett. 104, 141104 (2014).

Annonces d'article Google Scholar

Harris, GL Propriétés du carbure de silicium (INSPEC, 1995).

Cimalla, V., Pezoldt, J. & Ambacher, O. Nitrure de groupe III et MEMS et NEMS à base de SiC : propriétés des matériaux, technologie et applications. J.Phys. D : Appl. Phys. 40, 6386–6434 (2007).

Article CAS ADS Google Scholar

Maboudian, R., Carraro, C., Senesky, DG & Roper, CS Avancées dans la science et la technologie du carbure de silicium aux micro- et nano-échelles. J.Vac. Sci. Technol. A 31, 050805 (2013).

Article Google Scholar

Robichaud, J. et al. Optique en carbure de silicium pour télescopes astronomiques spatiaux et terrestres. Proc. SPIE 8450, 845002 (2012).

Article Google Scholar

Song, B.-S., Yamada, S., Asano, T. & Noda, S. Démonstration de cristaux photoniques bidimensionnels à base de carbure de silicium. Opter. Express 19, 11084–11089 (2011).

Article CAS ADS Google Scholar

Yamada, S. et al. Suppression de l'absorption de photons multiples dans une nanocavité à cristal photonique SiC fonctionnant à 1,55 μm. Opter. Express 20, 14789–14796 (2012).

Article CAS ADS Google Scholar

Cardenas, J. et al. Microrésonateurs SiC à Q élevé. Opter. Express 21, 16882–16887 (2013).

Annonces d'article Google Scholar

Lu, X., Lee, JY, Feng, PXL et Lin, Q. Résonateur à microdisque en carbure de silicium. Opter. Lett. 38, 1304-1306 (2013).

Article CAS ADS Google Scholar

Radulaski, M. et al. Cavités à cristaux photoniques dans des films de carbure de silicium polytype cubique (3C). Opter. Express 21, 32623–32629 (2013).

Annonces d'article Google Scholar

Calusine, G., Politi, A. & Awschalom, DD Cavités cristallines photoniques en carbure de silicium avec centres de couleur intégrés. Appl. Phys. Lett. 105, 011123 (2014).

Annonces d'article Google Scholar

Lu, X., Lee, JY, Feng, PXL et Lin, Q. Résonateur microdisque en carbure de silicium à Q élevé. Appl. Phys. Lett. 104, 181103 (2014).

Annonces d'article Google Scholar

Lu, X., Lee, JY, Rogers, S. & Lin, Q. Non-linéarité optique de Kerr dans un microrésonateur en carbure de silicium à Q élevé. Opter. Express 22, 30826–30832 (2014).

Article CAS ADS Google Scholar

Magyar, AP et al. Résonateurs à microdisques SiC de haute qualité fabriqués à partir de tranches d'épicouche monolithiques. Appl. Phys. Lett. 104, 051109 (2014).

Annonces d'article Google Scholar

Yamada, S. et al. Génération de seconde harmonique dans une nanocavité à cristal photonique à base de carbure de silicium. Opter. Lett. 39, 1768-1771 (2014).

Article CAS ADS Google Scholar

Lee, JY, Lu, X. & Lin, Q. Cavités à cristaux photoniques en carbure de silicium à Q élevé. Appl. Phys. Lett. 106, 041106 (2015).

Annonces d'article Google Scholar

Radulaski, M. et al. Photoluminescence visible à partir de microdisques de carbure de silicium cubiques (3C) couplés à des modes de galerie de chuchotement de haute qualité. ACS Photon. 2, 14-19 (2015).

Article CAS Google Scholar

Koehl, WF et al. Contrôle cohérent à température ambiante des qubits de spin défectueux dans le carbure de silicium. Nature 479, 84–87 (2011).

Article CAS ADS Google Scholar

Falk, AL et al. Contrôle polytypique des quibits de spin dans le carbure de silicium. Nat. Commun. 4, 1819 (2013).

Annonces d'article Google Scholar

Chandorkar, SA et al. Limites du facteur de qualité dans les résonateurs micromécaniques en mode vrac. Proc. IEEE Int. Conf. MEMS. 74–77 (2008). 10.1109/MEMSYS.2008.4443596.

Ayazi, F., Sorenson, L. & Tabrizian, R. Dissipation d'énergie dans les résonateurs micromécaniques. Proc. SPIE 8031, 803119 (2011).

Article Google Scholar

Ghaffari, S. et al. Limite quantique du facteur de qualité dans les micro et nano résonateurs mécaniques en silicium. Sci. Rep. 3, 3244 (2013).

Article Google Scholar

Yang, YT et al. Systèmes nanoélectromécaniques en carbure de silicium monocristallin. Appl. Phys. Lett. 78, 162–164 (2001).

Article CAS ADS Google Scholar

Huang, XMH, Zorman, CA, Mehregany, M. & Roukes, ML Systèmes nanoélectromécaniques : mouvement des nanodispositifs aux fréquences micro-ondes. Nature 421, 496–496 (2003).

Article CAS ADS Google Scholar

Ekinci, KL, Huang, XMH & Roukes, ML Détection de masse nanoélectromécanique ultrasensible. Appl. Phys. Lett. 84, 4469–4471 (2004).

Article CAS ADS Google Scholar

Wiser, RF, Juyong, C., Mehregany, M. & Zorman, CA Résonateurs verticaux micro-usinés en surface au carbure de silicium polycristallin - partie I : étude de croissance et fabrication de dispositifs. J. Microelectromech. Syst. 14, 567-589 (2005).

Article CAS Google Scholar

Förster, Ch. et coll. Résonateurs micro- et nanoélectromécaniques à base de nitrure de groupe III et de SiC pour des applications de capteurs. Phys. Statut Solidi A 203, 1829–1833 (2006).

Annonces d'article Google Scholar

Jiang L. et al. Résonateurs cantilever SiC à actionnement électrothermique. Sens. Actionneurs, A 128, 376–386 (2006).

Article CAS Google Scholar

Azevedo, RG et al. Un capteur de contrainte résonnant SiC MEMS pour les applications en environnement difficile. IEEE Sens. J. 7, 568–576 (2007).

Article CAS ADS Google Scholar

Li, M., Tang, HX & Roukes, ML Cantilevers ultra-sensibles basés sur NEMS pour la détection, les sondes scannées et les applications à très haute fréquence. Nature Nanotech. 2, 114-120 (2007).

Article CAS ADS Google Scholar

Perisanu, S. et al. Facteur Q élevé pour les résonances mécaniques des nanofils de SiC fabriqués par lots. Appl. Phys. Lett. 90, 043113 (2007).

Annonces d'article Google Scholar

Kermany, AR et al. Microrésonateurs avec des facteurs Q supérieurs à un million à partir de carbure de silicium épitaxial fortement sollicité sur silicium. Appl. Phys. Lett. 104, 081901 (2014).

Annonces d'article Google Scholar

Yang, R. et al. Résonateurs de torsion à microdisque 6H-SiC dans une technologie "smart-cut". Appl. Phys. Lett. 104, 091906 (2014).

Annonces d'article Google Scholar

Zhao, F., Du, W. & Huang, CF Fabrication et caractérisation de microactionneurs 4H-SiC monocristallins pour un fonctionnement en fréquence MHz et détermination du module de Young. Microélectron. Ing. 129, 53-57 (2014).

Article CAS Google Scholar

Rakich, PT, Davids, P. & Wang, Z. Adapter les forces optiques dans les guides d'ondes par la pression de rayonnement et les forces électrostrictives. Opter. Express 18, 14439–14453 (2010).

Article CAS ADS Google Scholar

Tong, L., Mehregany, M. & Matus, LG Propriétés mécaniques du carbure de silicium 3C. Appl. Phys. Lett. 60, 2992–2994 (1992).

Article CAS ADS Google Scholar

Ziaei-Moayyed, M. et al. Résonateur acoustique en vrac harmonique latéral en carbure de silicium avec un facteur de qualité ultra élevé. Proc. IEEE Int. Conf. MEMS. 788–792 (2011), 10.1109/MEMSYS.2011.5734543.

Ziaei-Moayyed, M. et al. Cavités cristallines phononiques en carbure de silicium pour résonateurs micromécaniques. Proc. IEEE Int. Conf. MEMS. 1377–1381 (2011), 10.1109/MEMSYS.2011.5734691.

Gong, S., Kuo, N.-K. & Piazza, G. Résonateurs à ondes acoustiques de volume surmodés latéraux à Q élevé utilisant un film mince de SiC épitaxial. JMEMS Lett. 21, 253-255 (2012).

CAS Google Scholar

Lin, CM et al. Plaque composite AlN/3C-SiC permettant des résonateurs micromécaniques à haute fréquence et à haut Q. Adv. Mater. 24, 2722–2727 (2012).

Article CAS Google Scholar

Jiang, WC, Lu, X., Zhang, J. & Lin, Q. Oscillateur optomécanique au silicium haute fréquence avec un seuil ultra-bas. Opter. Express 20, 15991–15996 (2012).

Article CAS ADS Google Scholar

Liu, Y., Davanco, M., Aksyuk, V. & Srinivasan, K. Transparence induite électromagnétiquement et conversion de longueur d'onde à large bande dans les résonateurs optomécaniques à microdisque de nitrure de silicium. Phys. Rév. Lett. 110, 223603 (2013).

Annonces d'article Google Scholar

Zhuang, D. & Edgar, JH Gravure humide de GaN, AlN et SiC : une revue. Tapis. Sci. Ing. R 45, 1–46 (2005).

Article Google Scholar

Wright, NG & Horsfall, AB Capteurs SiC : une revue. J.Phys. D : Appl. Phys. 40, 6345–6354 (2007).

Article CAS ADS Google Scholar

Oliveros, A., Guiseppi-Elie, A. & Saddow, SE Carbure de silicium : un matériau polyvalent pour les applications de biocapteurs. Biomédical. Microdispositifs 15, 353–368 (2013).

Article Google Scholar

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Les auteurs remercient Philippe X.-L. Feng pour des discussions utiles. Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation dans le cadre de la subvention ECCS-1408517. Il a été réalisé en partie au Cornell NanoScale Science & Technology Facility (CNF), membre du National Nanotechnology Infrastructure Network.

Département de physique et d'astronomie, Université de Rochester, Rochester, 14627, NY, États-Unis

Lu Xiyuan

Département de génie électrique et informatique, Université de Rochester, Rochester, 14627, NY, États-Unis

Jonathan Y. Lee et Qiang Lin

Institut d'optique, Université de Rochester, Rochester, 14627, NY, États-Unis

Qiang Lin

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XL et JYL ont fabriqué les dispositifs et mené les expériences. XL a analysé les données. QL a planifié et supervisé le projet. Tous les auteurs ont participé à la discussion des résultats et à la rédaction du manuscrit.

Les auteurs déclarent une absence d'intérêts financiers en compétition.

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Réimpressions et autorisations

Lu, X., Lee, J. & Lin, Q. Microrésonateurs optomécaniques en carbure de silicium haute fréquence et haute qualité. Sci Rep 5, 17005 (2015). https://doi.org/10.1038/srep17005

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Reçu : 27 mai 2015

Accepté : 22 octobre 2015

Publié: 20 novembre 2015

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

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