利用具有可调非线性的帽状波导产生超连续谱

《Optics & Laser Technology》：Supercontinuum generation from capping waveguide with Tunable Nonlinearity

本研究设计并制备了一种新型SiO?包覆 Ta?O?波导（capping WG），通过半导体微纳加工技术优化结构参数（高度800 nm，侧壁角度70°，宽度1800/2700 nm），显著提升超连续谱生成效率。实验表明，包覆波导在TE/TM极化下较空气包覆波导具有更宽的连续谱谱线宽度（约+15%），且通过100 nm SiO?层有效抑制环境污染物对波导核心的影响，增强器件可靠性。该结构在复杂环境应用中展现出优势，为超连续光源开发提供新方案。

　　

Hsin-Han Peng|Cheng-Hsin Lin|Siyao Li|Min-Hsiung Shih|Hao-Chung Kuo|Yi-Jen Chiu|Chao-Kuei Lee|Ju Han Lee|Hsiang-Chen Chui

大连理工大学光电工程与仪器科学学院，中国大连116024

摘要

本研究介绍了一种用于超连续谱生成的保护性波导（WG）的设计、制备和性能评估，并将其与空气包覆的WG进行了比较分析。所设计的保护性WG高度为800纳米，侧壁角度为70°，宽度分别为1800纳米和2700纳米，在泵浦波长1550纳米时表现出良好的色散特性，这对于高效的光谱展宽至关重要。此外，100纳米厚的SiO₂包覆层的集成有效地减轻了环境污染，同时保持了色散控制。WG的制备采用了半导体微/纳米制造技术，包括衬底制备、薄膜沉积、光刻、刻蚀和包覆沉积等步骤，确保了结构的高精度。光学测量结果表明，该保护性WG在TE和TM偏振状态下都优于空气包覆的WG，实现了更宽的超连续谱。尽管理论预测与实验结果之间存在一些细微差异（可能源于制造缺陷），但保护性WG的整体性能仍然更优。除了光谱展宽外，保护性WG还通过有效隔离WG核心与外部污染物，提高了器件的可靠性和稳定性。这些结果表明，保护性WG是一个有前景的超连续谱生成平台，特别是在复杂环境中，具有在光学相干断层扫描、频率梳生成和高分辨率光谱学中的潜在应用。

引言

自20世纪60年代初首次实现光学频率加倍以来，非线性光学领域取得了显著进展[[1], [2], [3], [4]]。出现了许多非线性光学现象和技术，包括三次谐波生成、自相位调制和超连续谱生成（SCG）[5]。这些发展不仅深化了我们对非线性光学的理论理解，还在光通信、传感和光信号处理等实际应用中发挥了关键作用[6,7]。SCG尤为重要，因为它能够在高功率脉冲激光泵浦非线性介质（如光子晶体光纤）时产生从紫外到近红外区域的宽带光谱[8]。这项技术已广泛应用于多个领域，包括生物医学成像的光学相干断层扫描、光通信中的波长分割复用、高分辨率光谱学、光学频率梳[9,10]以及精密激光雷达测量。2018年，Hu等人[11]展示了一个将SCG与红外光谱集成在单个芯片上的平台，开创了芯片级传感的新时代。近年来，集成光子平台发展迅速。与市售的光子晶体光纤[12]相比，集成平台具有体积小和与半导体CMOS工艺兼容等优点[13]，从而实现了大规模、低成本的生产。

在本研究中，Fan等人成功开发了Ta₂O₅波导（WG），并制备了具有优异工艺稳定性的空气包覆WG。这些WG在群速度色散的反常区域表现出优越的性能，非常适合用于基于孤子分裂的SCG[15]。然而，WG核心直接暴露在空气中容易受到环境污染，可能限制其长期可靠性。为了解决这个问题，我们提出了一种新的WG结构——保护性WG。本文探讨了保护性WG的设计、仿真、制备和光学特性，并将其性能与空气包覆的WG进行了比较。我们的目标是提供一种更可靠、更实用的SCG解决方案，以扩展其在复杂环境中的应用范围。

波导结构设计

在SCG研究和应用中，波导结构设计对于优化光谱展宽和提高WG组件的可靠性至关重要。本研究重点介绍了保护性WG的设计，并以空气包覆的WG作为参考。

选择五氧化二钽（Ta₂O₅）作为WG的核心材料，因为它具有较高的非线性系数、相对较高的折射率和较宽的带隙，这些特性有利于SCG。与其他材料相比，Ta₂O₅

保护性波导的色散工程

精确的色散工程对于实现宽带SCG至关重要。图2显示了在不同SiO₂包覆厚度下，Ta₂O₅ WG在TE₀₀和TM₀₀偏振下的模拟色散曲线。在所有情况下，WG的宽度和高度分别固定为2700纳米和800纳米，而SiO₂包覆层的厚度从50纳米变化到150纳米。

对于TE₀₀模式（图2(a)），零色散波长（ZDW）受包覆层的影响很小，仅略有偏移，从约1490纳米

波导制备过程和关键参数控制

本研究利用半导体微/纳米制造技术制备WG，包括光刻、刻蚀和薄膜沉积等关键步骤，以实现具有优异光学性能的精确WG结构。在整个制备过程中严格控制参数，以确保高质量的结果。制备过程如图3所示。

过程从衬底制备开始，硅衬底依次经历

SCG测量的光学系统

为了研究WG的耦合效率和输出模式特性，我们构建了图4所示的实验装置。泵浦源为中心波长为1550纳米、脉冲宽度为50飞秒、重复率为100 MHz的飞秒激光器。由于直接将红外光束对准WG具有挑战性，因此使用偏振分束器（PBS）将633纳米的He-Ne激光与泵浦光束对准。He-Ne光束通过PBS，而红外泵浦光束

结论

本研究提出了一种保护性WG的概念，即在Ta₂O₅核心上沉积纳米级的SiO₂包覆层，以提高非线性性能和环境稳定性。薄膜包覆层不仅最小化了折射率失配，增强了光场的限制作用，还有效隔离了导光区域与外部污染物，从而提高了器件的可靠性。

与Zhang等人的双波长泵浦Ta₂O₅平台相比

CRediT作者贡献声明

Hsin-Han Peng：形式分析、概念化。Cheng-Hsin Lin：数据整理。Siyao Li：初稿撰写。Min-Hsiung Shih：方法论。Hao-Chung Kuo：。Yi-Jen Chiu：方法论。Chao-Kuei Lee：指导、方法论。Ju Han Lee：指导。Hsiang-Chen Chui：撰写、审稿与指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国中央高校基本科研业务费（项目编号：DUT23YG205）和首尔大学基础研究及跨学科研发基金（2024年）的财政支持。