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CMOS蓝宝石上硅工艺产生宽中红外超连续谱
材料来源:激光世界           录入时间:2016/6/2 9:39:25

 

/Gail Overton

 

硅除了在1.5 μm左右的通信波段具有众所周知的光电子能力、以及绝缘体上硅(SOI)形式在2.5 μm波段的功能性外,目前它又进入了一个新的前沿领域:蓝宝石上硅(SOS)纳米线已被用于展示从1.9 μm6 μm以上、倍频程中红外(mid-IR)超连续谱的产生。

 

这种宽带超连续谱光源通过互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺实现,是澳大利亚悉尼大学光学系统超高带宽设备中心(CUDOS)、麦考瑞大学和Silanna Semiconductor公司、澳大利亚国立大学CUDOS激光物理中心、法国国家科学研究中心Institut des Nanotechnologies de Lyon以及澳大利亚皇家墨尔本理工大学的研究人员的合作成果。该研究团队表示,这种中红外超连续光源是“迄今为止在任何硅平台上产生的光谱最宽、波长最长的光源。”

 

紧凑型廉价中红外光源正变得越来越重要,尤其是在十亿分之一(ppb)甚至万亿分之一量级的分子传感应用中。虽然使用硫系玻璃光纤已经展示了达到13 μm的超连续谱产生,但是与CMOS兼容的SOS平台提供可扩展性,并有望实现新型非线性集成(具有成本效益)的硅器件,例如这些工作于远远超出传统硅窗口的中红外超连续谱光源。

 

超连续谱SOS

 

首个SOS波导于2010年制成,其在4.5 μm处的损耗为4.3 dB/cm[2]为了避免通常在2.5 μm以上波段硅中产生的更高的多光子吸收,研究人员设计了SOS纳米线,在2.4 μm×0.48 μm的纳米线上使泵浦波长的色散和光学损耗最小化。通过采用化学氧化和氧化物退除的方法处理纳米线,以降低表面粗糙度,同时使用相对较宽的纳米线来提升模式约束,将4 μm处的传输损耗最小化到1.0±0.3 dB/cm的水平。

 

为了产生超连续谱,将可调谐光参量放大器(OPA)输出的波长3.7 μm、脉宽320 fs、重复频率20 MHz的光束输入至纳米线的TE模,准直后传送至单色仪,利用1.5~4.8 μm的硒化铅(PbSe)和4~6.5 μm的碲镉汞(MCT)两种探测器进行探测。对于峰值功率在200 W~2.5 kW之间的耦合输入,输入功率为1.82 kW时,最宽的连续输出光谱(-30dB带宽)跨越了从1.9~5.5 μm1.53个倍频程。甚至在远高于-45 dB的本底噪声水平上,产生的光波长超过6 μm(见图1)。

 

1:基于蓝宝石上硅(SOS)的超连续光源的功率输出,输入功率水平在200 W~2.5 kW之间

为了在更宽的带宽内获得更平坦的色散轮廓,可以构造基于SOS的柱状波导。此外,预计通过减少硅/蓝宝石界面的晶格失配,可以改进SOS纳米线的外延生长,从而最小化近红外损耗。研究人员表示,这些改进将有可能使用单根纳米线,在硅的整个透明光谱区域内展示超连续谱产生。

 

“蓝宝石上硅平台为在单个设备上集成电子和光子学铺平了道路,”悉尼大学CUDOS Neetesh Singh说,“这将促成从近红外到中红外范围的电致可调谐、芯片上、线性和非线性超宽光学操作。”

 

参考文献

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).


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