半导体纳米线中的高功率连续波光波导

《Advanced Photonics Research》：High-Power Continuous-Wave Optical Waveguiding in a Semiconductor Nanowire

　　

半导体纳米线已被广泛研究用于各种纳米光子应用，包括纳米激光器、光电探测器、非线性频率转换器和太阳能电池。尽管在这些应用中通常需要高功率光波导，但截至目前，由于传播损耗和低效率的光耦合，单根纳米线中的导波功率（或平均功率）通常被限制在约100 μW。在这里，研究人员演示了通过二氧化硅光纤锥辅助下的高效输入和输出耦合，在CdS和ZnO纳米线中实现高功率连续波（continuous wave, CW）光波导。单根直径为550 nm的CdS纳米线在1550 nm波长下能够安全地引导高达2.5 W的光功率，这比之前的结果高出约四个数量级。利用这些高功率CW光波导纳米线，研究人员进一步实现了高效的非线性频率转换，其中二次谐波产生（second-harmonic generation, SHG）和三次谐波产生（third-harmonic generation, THG）的效率分别为6.9 × 10^?6和6.4 × 10^?8，与脉冲激发下获得的结果相当。这些结果可能将纳米线光子学推向高功率领域，为基础研究和技术应用开辟新的机遇。

半导体纳米线高功率连续波光波导研究解读

半导体纳米线（semiconductor nanowire）因具有高纵横比、强光约束、大倏逝场以及可调带隙等特性，成为研究纳米尺度光与物质相互作用的理想平台，并被广泛用于纳米激光器、微型发光二极管、光电探测器、非线性频率转换器及太阳能电池等纳米光子器件。在这些应用中，提高纳米线内可引导的光功率是增强光与物质相互作用、开拓新技术途径的直接方法。然而，受限于吸收诱导热效应、散射损耗以及低效的光耦合，此前单根纳米线中可引导的最大光功率通常仅为约100 μW。典型的硫化镉（cadmium sulfide, CdS）和氧化锌（zinc oxide, ZnO）纳米线具有原子级光滑表面、低波导损耗、高损伤阈值以及有利于散热的大表面积—体积比，在弱吸收波段（如CdS在1550 nm波长处具有极低的吸收系数）理论上能够支持远高于现有水平的光功率，例如CdS纳米线的理论耐受平均功率密度可接近块状CdS晶体（约6.5×10¹³ W/m²）。然而，这一高功率能力尚未在纳米线波导中得到实验验证。为此，研究人员在本研究中通过高效耦合方案，探索了半导体纳米线中的高功率连续波（continuous wave, CW）光波导。

该研究利用化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD）合成了高质量CdS和ZnO纳米线，并采用在线光纤—纳米线—光纤耦合结构，即通过二氧化硅光纤锥实现光的高效输入与输出，从而克服了传统低耦合效率的限制。实验表明，一根直径为550 nm的CdS纳米线在1550 nm波长下能够安全引导高达2.5 W的连续波光功率，对应功率密度为1.1×10¹³ W/m²，较此前报道的数值提高了约四个数量级。同时，一根直径为690 nm的ZnO纳米线在1550 nm和532 nm波长下分别实现了292 mW和33 mW的导波功率。基于这一高功率CW波导平台，研究人员进一步实现了高效的二次谐波产生（second-harmonic generation, SHG）和三次谐波产生（third-harmonic generation, THG），其转换效率分别达到6.9×10^?6和6.4×10^?8，与脉冲激发下的结果相当。该工作将纳米线光子学推向了高功率领域，为基础研究和应用开发提供了新机遇。

在研究方法上，研究人员主要采用了以下关键技术：利用CVD生长CdS和ZnO纳米线；通过扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）和高分辨透射电子显微镜（high-resolution transmission electron microscopy, HR-TEM）表征纳米线的形貌与晶体结构；使用光致发光（photoluminescence, PL）光谱评估缺陷态；采用火焰加热拉锥技术制备标准单模光纤锥，以满足绝热条件，实现光纤与纳米线之间的高效倏逝波耦合；利用掺铒光纤放大器（erbium-doped fiber amplifier, EDFA）放大1550 nm连续波光源，并使用功率计测量输出功率；通过可调谐激光器和光谱仪分析谐波信号。研究中所用纳米线均由CVD方法直接合成，不涉及临床样本队列。

研究结果如下。2.1 纳米线的光学表征：SEM和HR-TEM显示，所合成的CdS和ZnO纳米线具有均匀的直径、原子级光滑的表面（粗糙度低于0.1 nm）和单晶结构。PL谱中，ZnO纳米线除了带边发射外，还在约550 nm处出现与氧空位相关的缺陷发射峰；而CdS纳米线仅观察到纯净的带边发射，无明显缺陷发光，表明其晶体缺陷密度低，这对于抑制吸收诱导加热和实现高功率波导至关重要。暗场荧光显微镜观察显示，对于一根长度84 μm的CdS纳米线，在405 nm连续波激光激发下，光主要从两端出射，沿纳米线主体几乎无散射，证实了低传播损耗和优良的光学质量。

2.2 纳米线中的高功率连续波光波导：实验采用光纤锥—纳米线—光纤锥配置，耦合效率超过90%。对于550 nm直径的CdS纳米线，输出功率随输入功率线性增加，无滞后现象，最大输出功率达1.8 W，对应导波功率2.5 W，功率密度为1.1×10¹³ W/m²。基于Varshni效应的估算显示，在1.1 W导波功率下纳米线温升约180 °C，远低于CdS晶体的热损伤阈值。ZnO纳米线在1550 nm和532 nm下最大导波功率分别为292 mW和33 mW，其较低的上限主要归因于缺陷导致的亚带隙吸收和较低损伤阈值。

2.3 CdS纳米线直径依赖的高功率波导：对直径从100 nm到1.1 μm的CdS纳米线进行测量，发现仅当直径满足单模传输要求和有效折射率匹配条件（约260–600 nm）时（如280 nm和550 nm），才能实现瓦级输出功率；其他直径由于模式泄漏、多模传播或有效折射率失配而引入额外损耗。

2.4 高功率连续波波导CdS纳米线中的非线性谐波产生：以一根550 nm直径、70 μm长的CdS纳米线作为波导，在1550 nm CW光泵浦下，观察到明显的SHG（776 nm）和THG（520 nm）。通过精细调节泵浦波长实现模式间相位匹配，SHG和THG分别在1551 nm和1562 nm处达到最强。在相位匹配条件下，谐波输出功率随泵浦功率的双对数拟合斜率分别为1.97±0.14（SHG）和3.2±0.18（THG），与理论二次和三次依赖一致。在1.1 W导波功率下，SHG效率为6.9×10^?6，THG效率为6.4×10^?8，与脉冲激发水平相当。

总之，本研究在CdS和ZnO纳米线中实现了高功率连续波光波导，其中550 nm直径CdS纳米线可安全引导2.5 W的1550 nm光，比先前报道高近四个数量级；ZnO纳米线在1550 nm和532 nm分别支持292 mW和33 mW的导波功率。基于这一高功率波导，研究人员实现了相位匹配的SHG和THG，转换效率与脉冲激发相当。由于高功率连续波波导是纳米线光子应用所期望的，这些结果有望将半导体纳米线光子学推进到高功率领域，并为纳米激光器、光电探测器和非线性光学等应用开辟新的机会。