Оптически модифицированная генерация второй гармоники в тонких пленках оксинитрида кремния путем локального нагрева слоев

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 8658 (2023) Цитировать эту статью

181 Доступ

Подробности о метриках

Генерация сильной второй гармоники (ГВГ) в нитриде кремния широко изучалась, в частности, с точки зрения лазерно-индуцированного усиления ГВГ в волноводах Si3N4. Это улучшение было приписано полностью оптической поляризации, вызванной когерентным фотогальваническим эффектом. Однако об аналогичном процессе для тонких пленок Si3N4 не сообщалось. В нашей статье сообщается о наблюдении лазерно-индуцированного трехкратного усиления ГВГ в тонких пленках Si3N4. Наблюдаемое усиление имеет многие особенности, аналогичные полностью оптической поляризации, такие как сильно нелинейная зависимость от мощности, кумулятивный эффект или связь с границей раздела Si3N4–Si. Однако идентичные эксперименты с тонкими пленками оксинитрида кремния с низким содержанием кислорода приводят к сложному поведению, включая лазерно-индуцированное уменьшение ГВГ. После тщательного экспериментального исследования, включая влияние частоты повторения или длины импульса, наблюдаемые результаты были приписаны вариациям ГВГ, вызванным нагреванием. Наши результаты не только раскрывают новый механизм изменения ГВГ, индуцированного лазером, но и позволяют идентифицировать этот механизм.

Нитрид кремния (Si3N4), а также оксинитриды кремния (SiOxNy) привлекли внимание многих перспективных применений в оптике. Эти материалы используются для оптических покрытий как средство создания слоев с градуированным показателем преломления1. Тем не менее, в последнее время исследования нитрида кремния были мотивированы преимущественно его нелинейными оптическими свойствами, включая сильную генерацию второй гармоники (ГВГ)2. Эти свойства могут быть использованы в волноводных структурах, фотонно-кристаллических нанорезонаторах, плазмонных структурах или оптических модуляторах3,4,5.

Во многих исследованиях изучались нелинейно-оптические характеристики Si3N4, уделяя особое внимание источнику эффективных ГВГ4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. Исследования выявили два возможных источника ГВГ: (i) генерация ГВГ на границе раздела Si3N4–Si6,11 и (ii) объемная ГВГ, имеющая диполярный характер4,6,13. В этих статьях11,14 объемная ГВГ с диполярным характером была приписана нарушению симметрии материала за счет деформации или локальных неоднородностей.

В последние годы ряд рабочих групп сообщили о сильном лазерно-индуцированном усилении ГВГ в волноводах из нитрида кремния15,16,17 и микрорезонаторах18,19. Это улучшение было объяснено эффектом полностью оптической поляризации, где движущим механизмом был так называемый когерентный фотогальванический эффект. Этот эффект индуцирует внутренние локальные электрические поля в материале и, следовательно, обеспечивает эффективное удвоение частоты в центросимметричных материалах посредством нелинейности третьего порядка (EFISH)15,16. Фотогальванический эффект возникает, когда образец подвергается воздействию основного лазерного луча и его второй гармоники, которая может исходить либо от внешнего источника, либо генерироваться в самом образце.

Сообщалось также об оптически индуцированном изменении ГВГ для окисленных поверхностей Si. Изменение было приписано многофотонной инжекции электронов и дырок через интерфейс Si-SiO2. Однако эта зависящая от времени ГВГ ограничивается только оксидными слоями толщиной менее 10 нм и исчезает для более толстых слоев20.

Для оптических тонких пленок SiOxNy толщиной более 10 нм принято, что эффективность ГВГ определяется процессом осаждения и структурированием тонкой пленки. Например, было показано, что интенсивности ГВГ способствует стехиометрия Si3N47, целенаправленное осаждение структур Si3N4 и SiOxNy с повышенным остаточным напряжением21 или накопление фиксированных зарядов на границах раздела слоев21. В отличие от волноводов и микрорезонаторов, оптически индуцированное усиление ГВГ в тонких оптических пленках ранее не сообщалось.

В этой статье мы сообщаем о наших наблюдениях оптически индуцированного изменения ГВГ в тонких пленках нитрида и оксинитрида кремния на кремниевой подложке. В частности, мы наблюдали сильное трехкратное усиление ГВГ на слоях Si3N4. Некоторые характеристики усиления очень напоминают когерентный фотогальванический эффект, включая сильно нелинейную зависимость от мощности или кумулятивный характер усиления ГВГ15,16. Наши измерения также показали, что изменение ГВГ не связано с каким-либо заметным изменением показателя преломления слоя или химического состава.