Nanophotonics | 半導體芯光纖：非線性光電子技術(shù)的新平臺

逍遙設(shè)計自動化

引言半導體芯光纖正在成為非線性光電子應(yīng)用的新平臺。通過將半導體的緊密光束限制和高非線性折射率與光纖的靈活性和穩(wěn)健性相結(jié)合，這些混合結(jié)構(gòu)為寬波長范圍內(nèi)的非線性光學處理開辟了新的可能性。本文將概述半導體芯光纖的制造、表征和應(yīng)用，重點關(guān)注非線性光電子技術(shù)的應(yīng)用。
* S& f: `) k* H1 u7 S
制造方法
% F" X- T8 u0 c  g2 x制造半導體芯光纖的主要方法是熔芯拉絲技術(shù)（MCD）。在這個過程中，將半導體材料放置在玻璃管預制件內(nèi)，然后使用傳統(tǒng)的光纖拉絲塔加熱并拉成光纖。當預制件被加熱時，半導體芯熔化，而玻璃包層變得粘稠，使兩種材料能夠被共同拉制成光纖幾何結(jié)構(gòu)。
* J$ R0 J; i; e3 L. w5 \
( Y3 R9 D* k: T: H! i圖1：制造半導體芯光纖的熔芯拉絲方法示意圖。
6 }. U! _; _  m
MCD技術(shù)允許大規(guī)模生產(chǎn)長度的半導體芯光纖。然而，高拉絲溫度可能導致一些挑戰(zhàn)，包括包層材料向芯擴散和形成多晶芯。為解決這些問題，開發(fā)了各種后處理技術(shù)。

7 w4 I1 b: O) s; D* X后處理技術(shù)使用兩種關(guān)鍵的后處理方法來改善已拉制半導體芯光纖的質(zhì)量并調(diào)整其性能：
激光處理：使用聚焦激光束局部加熱、熔化和重結(jié)晶半導體芯。這可以改善結(jié)晶度，減少缺陷，并允許對芯的性能進行空間變化的修改。
錐化：局部加熱并拉伸光纖以減小其直徑。這允許精確控制芯的尺寸，并可以顯著改變光學性能。
[/ol]
這些后處理技術(shù)對于減少傳輸損耗和調(diào)整半導體芯光纖的色散性能以用于非線性應(yīng)用非常重要。
/ J* W7 d$ l3 N

圖2：后處理技術(shù)示意圖：（左）激光處理和（右）半導體芯光纖的錐化。

這些后處理技術(shù)對于減少傳輸損耗和調(diào)整半導體芯光纖的色散性能以用于非線性應(yīng)用非常重要。
  ^% e% n9 a  Z  h  o  A% S( a
- V( e% L; R9 T) }. x  C光學表征半導體芯光纖的光學性能強烈依賴于芯材料、尺寸和處理。硅芯光纖已經(jīng)被廣泛研究，通過仔細的錐化處理，在電信波長下實現(xiàn)了低至0.8 dB/cm的損耗。
: [/ d* g( O; W9 E6 z+ ~9 p4 a" n. n
通過控制芯直徑可以調(diào)整色散性能。圖3顯示了硅芯光纖的群速度色散和有效模場面積如何隨芯尺寸變化。
/ h& ?% ?- A& B3 `4 N5 L1 E4 Z4 \
圖3：硅芯光纖的群速度色散（GVD）和有效模場面積（Aeff）隨芯直徑的變化。
: u, C+ u2 t( ~7 X
' K7 \- ?" l. T% u4 M) D非線性光學應(yīng)用半導體芯光纖的高非線性和可調(diào)色散使其適用于各種非線性光學應(yīng)用：
* q! ]' I0 Q6 G1 c0 j% j* x四波混頻（FWM）：在硅芯光纖中已經(jīng)演示了FWM用于參量放大和波長轉(zhuǎn)換。使用僅0.63 mW平均泵浦功率在電信波段實現(xiàn)了9 dB的凈參量增益。
2 Q, a0 l& f, Z# d: _拉曼散射：在硅芯光纖中觀察到了受激拉曼散射，使用2 μm泵浦在中紅外區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了高達3.7 dB的增益。
超連續(xù)譜生成：在錐化的硅芯光纖中，使用3 μm泵浦生成了跨度從1.6到5.3 μm的寬廣超連續(xù)譜。
二次諧波生成：雖然大多數(shù)工作集中在硅上，但ZnSe芯光纖已被用于演示二次諧波生成，用于電信信號的倍頻。
$ ~( f/ y% h' H; Z[/ol]
7 n; M* [2 A; ?9 r& ]1 @
圖4：半導體芯光纖中演示的非線性應(yīng)用示例：（a） 四波混頻，（b） 拉曼散射，（c） 超連續(xù)譜生成，和 （d） 二次諧波生成。
/ {" ~$ t; u' q
' ^+ C  [2 \& p未來展望
在開發(fā)用于非線性光電子技術(shù)的半導體芯光纖方面取得了重大進展，但仍有幾個未來發(fā)展的領(lǐng)域：

新材料：超越硅，擴展到其他半導體如GaAs或ZnSe可能實現(xiàn)新功能，特別是對于二階非線性效應(yīng)。

改進制造：進一步減少損耗并提高結(jié)晶質(zhì)量將增強非線性應(yīng)用的性能。

集成：開發(fā)與標準光纖的穩(wěn)健耦合方法對于半導體芯光纖器件的實際部署非常必要。
9 G: o, ?# P' [( ?[/ol]

2 a+ b- ~5 d$ }7 H; {+ y( ^5 \: e圖5：半導體芯光纖與標準單模光纖（SMF）集成的概念，用于實際器件實現(xiàn)。
1 T3 Y+ u3 C: q  S/ W" p+ C$ {0 x' n
" E2 S5 s$ N) W* l4 W4 o結(jié)論
) \1 B+ e7 I6 ~. Z' V半導體芯光纖代表了值得期待的新平臺，結(jié)合了半導體的高非線性和光纖的靈活性。通過制造和后處理技術(shù)的進步，這些光纖正在成為一項可行的技術(shù)，用于跨越近紅外到中紅外的非線性光電子應(yīng)用。隨著制造方法的改進和新材料的探索，半導體芯光纖有望實現(xiàn)新型非線性光學器件和系統(tǒng)，彌合傳統(tǒng)光纖和光電子集成線路之間的差距。
* c, Y0 L* X6 ~4 [2 `( A# B
! }/ f5 Y# ?4 x! T, Q; I參考文獻
[1] M. Huang, J. Ballato, and A. C. Peacock, "Semiconductor core fibres: a scalable platform for nonlinear photonics," npj Nanophotonics, vol. 1, no. 21, pp. 1-12, 2024, doi: 10.1038/s44310-024-00026-5.
+ D: V- H+ j% J- F9 Q$ Q" M; g
( Q# [8 n8 C: c* i! N! g- g  z- END -

軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
: J* z. N/ Z$ c6 C8 D  U點擊左下角"閱讀原文"馬上申請

歡迎轉(zhuǎn)載
! Q; A) z' d" h- i: z0 L$ }
轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
1 [5 [/ N9 w8 J3 X1 e6 M! b$ K
( Q. f# ]: X6 C# o
# |8 m7 j8 c: w# _1 j
- g% l- A/ Y) ?
8 D4 b$ t( r6 B7 m
1 v( G2 ]! ~5 R關(guān)注我們

4 h/ k) z1 [0 Y8 I  }9 P- X9 W * P3 B" C7 Z6 [" ^  K; _- O/ I

                     


* k& A0 k3 w" p; Y4 g, e3 b
/ k5 ~" Y+ K# ^3 z  C. w+ p- l關(guān)于我們：
6 g9 R0 g, u5 g# A$ C6 f# j深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
) ?& T9 W: t) n4 h4 j* p
7 G0 r# \. c! J+ _" l1 Ghttp://www.latitudeda.com/
（點擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）