Generazione della seconda armonica modificata otticamente in film sottili di ossinitruro di silicio tramite riscaldamento dello strato locale

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8658 (2023) Citare questo articolo

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La forte generazione di seconda armonica (SHG) nel nitruro di silicio è stata ampiamente studiata, tra gli altri, in termini di potenziamento della SHG indotta dal laser nelle guide d'onda Si3N4. Questo miglioramento è stato attribuito alla polarizzazione completamente ottica indotta dall'effetto fotogalvanico coerente. Tuttavia, non è stato riportato un processo analogo per i film sottili di Si3N4. Il nostro articolo riporta l'osservazione del triplo potenziamento SHG indotto dal laser nei film sottili Si3N4. Il miglioramento osservato ha molte caratteristiche simili al poling completamente ottico, come la dipendenza dall’energia altamente non lineare, l’effetto cumulativo o la connessione all’interfaccia Si3N4–Si. Tuttavia, esperimenti identici per film sottili di ossinitruro di silicio a basso contenuto di ossigeno portano a comportamenti complessi, inclusa la riduzione SHG indotta dal laser. A seguito di uno studio sperimentale approfondito, compresi gli effetti della frequenza di ripetizione o della lunghezza dell'impulso, i risultati osservati sono stati attribuiti alla variazione SHG indotta dal calore. Oltre a rivelare un nuovo meccanismo di variazione SHG indotta dal laser, i nostri risultati forniscono anche un mezzo per identificare questo meccanismo.

Il nitruro di silicio (Si3N4), così come gli ossinitruri di silicio (SiOxNy), hanno attirato l'attenzione di molte potenziali applicazioni nel campo dell'ottica. Questi materiali vengono utilizzati per il rivestimento ottico come mezzo per creare strati con un indice di rifrazione graduale1. Tuttavia, recentemente la ricerca sul nitruro di silicio è stata motivata prevalentemente dalle sue proprietà ottiche non lineari, inclusa la forte generazione di seconda armonica (SHG)2. Queste proprietà possono essere utilizzate in strutture di guide d'onda, nanocavità di cristalli fotonici, strutture plasmoniche o modulatori ottici3,4,5.

Molti studi hanno indagato le caratteristiche ottiche non lineari del Si3N4, concentrandosi in particolare sulla sorgente di SHG4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 efficace. Gli studi rivelano due possibili fonti di SHG: (i) generazione di SHG sull'interfaccia Si3N4-Si6,11 e (ii) SHG di tipo bulk, che presenta carattere dipolare4,6,13. In questi articoli è stato assegnato il compito di rompere la simmetria del materiale tramite deformazione o disomogeneità locali al grosso SHG con carattere dipolare11,14.

Negli ultimi anni, numerosi gruppi di lavoro hanno riferito del forte potenziamento indotto dal laser di SHG nelle guide d'onda di nitruro di silicio15,16,17 e nei microrisonatori18,19. Questo miglioramento è stato attribuito all’effetto del poling completamente ottico, in cui il meccanismo di guida era il cosiddetto effetto fotogalvanico coerente. Questo effetto induce campi elettrici locali interni nel materiale e, pertanto, consente un efficiente raddoppio della frequenza nei materiali centrosimmetrici tramite nonlinearità del terzo ordine (EFISH)15,16. L'effetto fotogalvanico si verifica quando un campione è esposto al raggio laser fondamentale e alla sua seconda armonica, che può provenire da una sorgente esterna o essere generato nel campione stesso.

La variazione SHG indotta otticamente è stata segnalata anche per superfici di Si ossidato. La variazione è stata attribuita all'iniezione multifotone di elettroni e lacune attraverso l'interfaccia Si-SiO2. Tuttavia, questo SHG dipendente dal tempo è limitato solo agli strati di ossido inferiori a 10 nm e scompare per gli strati più spessi20.

Per i film sottili ottici SiOxNy superiori a 10 nm di spessore, è stato accettato che l'efficienza SHG sia determinata dal processo di deposizione e dalla strutturazione del film sottile. Ad esempio, è stato dimostrato che l'intensità dell'SHG è promossa da una stechiometria di Si3N47, da una deposizione mirata di strutture Si3N4 e SiOxNy con stress residuo aumentato21 o da cariche fisse accumulate sulle interfacce degli strati21. A differenza delle guide d'onda e dei microrisonatori, il miglioramento dell'SHG indotto otticamente nei film sottili ottici non è stato precedentemente segnalato.

In questo articolo, riportiamo le nostre osservazioni sulla variazione SHG indotta otticamente nei film sottili di nitruro di silicio e ossinitruro su un substrato di silicio. In particolare, abbiamo osservato un forte aumento di SHG triplo sugli strati Si3N4. Alcune caratteristiche dell'aumento assomigliano molto all'effetto fotogalvanico coerente, inclusa la dipendenza dalla potenza altamente non lineare o il carattere cumulativo dell'aumento SHG15,16. Le nostre misurazioni hanno anche rivelato che la variazione SHG non è collegata ad alcun cambiamento notevole nell’indice di rifrazione dello strato o nella composizione chimica.