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Sep 28, 2023

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 17005 (2015) Citar este artigo

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O carboneto de silício (SiC) exibe excelentes propriedades de material atraentes para aplicações amplas. Demonstramos os primeiros microrressonadores optomecânicos de SiC que integram alta frequência mecânica, alta qualidade mecânica e alta qualidade óptica em um único dispositivo. O modo mecânico de respiração radial tem uma frequência mecânica de até 1,69 GHz com um Q mecânico em torno de 5500 na atmosfera, o que corresponde a um produto fm · Qm tão alto quanto 9,47 × 1012 Hz. O forte acoplamento optomecânico nos permite excitar e sondar eficientemente a oscilação mecânica coerente por ondas ópticas. Os dispositivos demonstrados, em combinação com a propriedade térmica superior, inércia química e características de defeitos do SiC, mostram grande potencial para aplicações em metrologia, detecção e fotônica quântica, particularmente em ambientes hostis que são desafiadores para outras plataformas de dispositivos.

Ressonadores optomecânicos acoplam cavidades ópticas e ressonadores mecânicos mutuamente através de interações optomecânicas mediadas pelas forças de pressão de radiação. Com a capacidade excepcional de sondar e controlar o movimento mecânico mesoscópico até um único nível quântico, os ressonadores micro/nano-optomecânicos têm sido intensamente investigados nos últimos anos, mostrando uma grande promessa para amplas aplicações em detecção, processamento de informações, metrologia de tempo/frequência e física quântica1 ,2,3,4,5,6. Até o momento, diversas estruturas optomecânicas6 foram desenvolvidas em uma variedade de plataformas de materiais, incluindo sílica7, nitreto de silício8, silício9, arseneto de gálio10, nitreto de alumínio11, diamante12, vidro de fosfosilicato13 e fosfeto de gálio14. Em geral, a optomecânica da cavidade depende criticamente do material do dispositivo subjacente, exigindo não apenas alta transparência óptica e grande índice de refração para suportar os modos ópticos de alta qualidade e fortemente confinados, mas também grande velocidade acústica e baixo amortecimento de material para suportar o alto frequência e ressonâncias mecânicas de alta qualidade.

O carboneto de silício (SiC) é bem conhecido por suas excelentes propriedades térmicas, ópticas, mecânicas e químicas15, com amplas aplicações em eletrônica de alta potência, sensores micromecânicos, dispositivos biomédicos e telescópios astronômicos16,17,18. Nos últimos anos, esforços significativos foram dedicados ao desenvolvimento de dispositivos micro/nanofotônicos baseados em SiC19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30, muito atraídos por suas propriedades ópticas não lineares26 ,28 e características do defeito31,32. Por outro lado, estudos teóricos recentes33,34,35 mostram que o SiC exibe qualidade mecânica intrínseca significativamente superior a outros materiais, com um produto teórico de qualidade de frequência (fm ⋅ Qm) ~3 × 1014 à temperatura ambiente, devido ao seu excepcionalmente baixo espalhamento fônon-fônon que domina a perda mecânica intrínseca no regime de freqüência de micro-ondas. A alta qualidade mecânica intrínseca, juntamente com as excelentes propriedades ópticas, torna o SiC uma excelente plataforma de material para aplicações optomecânicas. Infelizmente, a rigidez mecânica superior e a inércia química do SiC impõem um desafio significativo na fabricação de dispositivos micro/nanofotônicos com altas qualidades ópticas e mecânicas, o que dificulta seriamente a realização de funcionalidades optomecânicas na plataforma SiC.

Nesta carta, demonstramos os primeiros microrressonadores optomecânicos de SiC que exibem acoplamento optomecânico significativo com um coeficiente de até |gom|/2π ≈ (61 ± 8) GHz/nm, o que nos permite atuar e caracterizar com eficiência os movimentos mecânicos mesoscópicos por significa. Ao otimizar a estrutura do dispositivo e o processo de fabricação, conseguimos obter alta qualidade óptica, grande frequência mecânica e alta qualidade mecânica simultaneamente em um único dispositivo. Os modos de galeria sussurrante exibem altas qualidades ópticas em torno de ~3,8 × 104. Os modos mecânicos de respiração radial mostram frequências de até 1,69 GHz e qualidades mecânicas em torno de 5500. O produto fm ⋅ Qm correspondente é 9,47 × 1012, que é o valor mais alto para o modo acústico fundamental fundamental em SiC demonstrado até o momento36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47, até onde sabemos.