文/Gail Overton

硅除了在1.5 μm左右的通信波段具有眾所周知的光電子能力、以及絕緣體上硅（SOI）形式在2.5 μm波段的功能性外，目前它又進(jìn)入了一個(gè)新的前沿領(lǐng)域：藍(lán)寶石上硅（SOS）納米線已被用于展示從1.9 μm到6 μm以上、倍頻程中紅外（mid-IR）超連續(xù)譜的產(chǎn)生。^[1]

這種寬帶超連續(xù)譜光源通過(guò)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝實(shí)現(xiàn)，是澳大利亞悉尼大學(xué)光學(xué)系統(tǒng)超高帶寬設(shè)備中心(CUDOS)、麥考瑞大學(xué)和Silanna Semiconductor公司、澳大利亞國(guó)立大學(xué)CUDOS激光物理中心、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心Institut des Nanotechnologies de Lyon以及澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)的研究人員的合作成果。該研究團(tuán)隊(duì)表示，這種中紅外超連續(xù)光源是“迄今為止在任何硅平臺(tái)上產(chǎn)生的光譜最寬、波長(zhǎng)最長(zhǎng)的光源。”

緊湊型廉價(jià)中紅外光源正變得越來(lái)越重要，尤其是在十億分之一（ppb）甚至萬(wàn)億分之一量級(jí)的分子傳感應(yīng)用中。雖然使用硫系玻璃光纖已經(jīng)展示了達(dá)到13 μm的超連續(xù)譜產(chǎn)生，但是與CMOS兼容的SOS平臺(tái)提供可擴(kuò)展性，并有望實(shí)現(xiàn)新型非線性集成（具有成本效益）的硅器件，例如這些工作于遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)硅窗口的中紅外超連續(xù)譜光源。

超連續(xù)譜SOS

首個(gè)SOS波導(dǎo)于2010年制成，其在4.5 μm處的損耗為4.3 dB/cm。^[2]為了避免通常在2.5 μm以上波段硅中產(chǎn)生的更高的多光子吸收，研究人員設(shè)計(jì)了SOS納米線，在2.4 μm×0.48 μm的納米線上使泵浦波長(zhǎng)的色散和光學(xué)損耗最小化。通過(guò)采用化學(xué)氧化和氧化物退除的方法處理納米線，以降低表面粗糙度，同時(shí)使用相對(duì)較寬的納米線來(lái)提升模式約束，將4 μm處的傳輸損耗最小化到1.0±0.3 dB/cm的水平。

為了產(chǎn)生超連續(xù)譜，將可調(diào)諧光參量放大器（OPA）輸出的波長(zhǎng)3.7 μm、脈寬320 fs、重復(fù)頻率20 MHz的光束輸入至納米線的TE模，準(zhǔn)直后傳送至單色儀，利用1.5~4.8 μm的硒化鉛（PbSe）和4~6.5 μm的碲鎘汞（MCT）兩種探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。對(duì)于峰值功率在200 W~2.5 kW之間的耦合輸入，輸入功率為1.82 kW時(shí)，最寬的連續(xù)輸出光譜（-30dB帶寬）跨越了從1.9~5.5 μm的1.53個(gè)倍頻程。甚至在遠(yuǎn)高于-45 dB的本底噪聲水平上，產(chǎn)生的光波長(zhǎng)超過(guò)6 μm（見(jiàn)圖1）。

為了在更寬的帶寬內(nèi)獲得更平坦的色散輪廓，可以構(gòu)造基于SOS的柱狀波導(dǎo)。此外，預(yù)計(jì)通過(guò)減少硅/藍(lán)寶石界面的晶格失配，可以改進(jìn)SOS納米線的外延生長(zhǎng)，從而最小化近紅外損耗。研究人員表示，這些改進(jìn)將有可能使用單根納米線，在硅的整個(gè)透明光譜區(qū)域內(nèi)展示超連續(xù)譜產(chǎn)生。

“藍(lán)寶石上硅平臺(tái)為在單個(gè)設(shè)備上集成電子和光子學(xué)鋪平了道路，”悉尼大學(xué)CUDOS 的Neetesh Singh說(shuō)，“這將促成從近紅外到中紅外范圍的電致可調(diào)諧、芯片上、線性和非線性超寬光學(xué)操作。”

參考文獻(xiàn)

1. N. Singh et al., Optica, 2, 9, 797–802 (September 4, 2015).

2. T. Baehr-Jones et al., Opt. Express, 18, 12, 12127–12135 (2010).