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，目前它又進入了一個新的前沿領域：藍寶石上硅（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)譜的產生。^[1]

這種寬帶超連續(xù)譜光源通過互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝實現，是澳大利亞悉尼大學光學系統(tǒng)超高帶寬設備中心(CUDOS)、麥考瑞大學和Silanna Semiconductor公司、澳大利亞國立大學CUDOS激光物理中心、法國國家科學研究中心Institut des Nanotechnologies de Lyon以及澳大利亞皇家墨爾本理工大學的研究人員的合作成果。該研究團隊表示，這種中紅外超連續(xù)光源是“迄今為止在任何硅平臺上產生的光譜最寬、波長最長的光源。”

緊湊型廉價中紅外光源正變得越來越重要，尤其是在十億分之一（ppb）甚至萬億分之一量級的分子傳感應用中。雖然使用硫系玻璃光纖已經展示了達到13 μm的超連續(xù)譜產生，但是與CMOS兼容的SOS平臺提供可擴展性，并有望實現新型非線性集成（具有成本效益）的硅器件，例如這些工作于遠遠超出傳統(tǒng)硅窗口的中紅外超連續(xù)譜光源。

超連續(xù)譜SOS

首個SOS波導于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以上波段硅中產生的更高的多光子吸收，研究人員設計了SOS納米線，在2.4 μm×0.48 μm的納米線上使泵浦波長的色散和光學損耗最小化。通過采用化學氧化和氧化物退除的方法處理納米線，以降低表面粗糙度，同時使用相對較寬的納米線來提升模式約束，將4 μm處的傳輸損耗最小化到1.0±0.3 dB/cm的水平。

為了產生超連續(xù)譜，將可調諧光參量放大器（OPA）輸出的波長3.7 μm、脈寬320 fs、重復頻率20 MHz的光束輸入至納米線的TE模，準直后傳送至單色儀，利用1.5~4.8 μm的硒化鉛（PbSe）和4~6.5 μm的碲鎘汞（MCT）兩種探測器進行探測。對于峰值功率在200 W~2.5 kW之間的耦合輸入，輸入功率為1.82 kW時，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個倍頻程。甚至在遠高于-45 dB的本底噪聲水平上，產生的光波長超過6 μm（見圖1）。

為了在更寬的帶寬內獲得更平坦的色散輪廓，可以構造基于SOS的柱狀波導。此外，預計通過減少硅/藍寶石界面的晶格失配，可以改進SOS納米線的外延生長，從而最小化近紅外損耗。研究人員表示，這些改進將有可能使用單根納米線，在硅的整個透明光譜區(qū)域內展示超連續(xù)譜產生。

“藍寶石上硅平臺為在單個設備上集成電子和光子學鋪平了道路，”悉尼大學CUDOS 的Neetesh Singh說，“這將促成從近紅外到中紅外范圍的電致可調諧、芯片上、線性和非線性超寬光學操作。”

參考文獻

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).