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

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引言半導(dǎo)體芯光纖正在成為非線性光電子應(yīng)用的新平臺(tái)。通過(guò)將半導(dǎo)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(zhǎng)范圍內(nèi)的非線性光學(xué)處理開(kāi)辟了新的可能性。本文將概述半導(dǎo)體芯光纖的制造、表征和應(yīng)用，重點(diǎn)關(guān)注非線性光電子技術(shù)的應(yīng)用。
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: X4 v/ k. W8 V6 V2 Z  ?4 X2 }制造方法
- v; v4 `. B' l& B9 M制造半導(dǎo)體芯光纖的主要方法是熔芯拉絲技術(shù)（MCD）。在這個(gè)過(guò)程中，將半導(dǎo)體材料放置在玻璃管預(yù)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(dāng)預(yù)制件被加熱時(shí)，半導(dǎo)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)。
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+ J6 U* J8 K/ n) [" i* Y8 M) ]圖1：制造半導(dǎo)體芯光纖的熔芯拉絲方法示意圖。
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/ T. Y) b4 c8 W( A9 rMCD技術(shù)允許大規(guī)模生產(chǎn)長(zhǎng)度的半導(dǎo)體芯光纖。然而，高拉絲溫度可能導(dǎo)致一些挑戰(zhàn)，包括包層材料向芯擴(kuò)散和形成多晶芯。為解決這些問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了各種后處理技術(shù)。
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后處理技術(shù)使用兩種關(guān)鍵的后處理方法來(lái)改善已拉制半導(dǎo)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(dǎo)體芯。這可以改善結(jié)晶度，減少缺陷，并允許對(duì)芯的性能進(jìn)行空間變化的修改。
# o! ?% @0 }1 G  r" u( J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(xué)性能。
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這些后處理技術(shù)對(duì)于減少傳輸損耗和調(diào)整半導(dǎo)體芯光纖的色散性能以用于非線性應(yīng)用非常重要。


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

4 H9 ~: g6 z' s% T! V這些后處理技術(shù)對(duì)于減少傳輸損耗和調(diào)整半導(dǎo)體芯光纖的色散性能以用于非線性應(yīng)用非常重要。

光學(xué)表征半導(dǎo)體芯光纖的光學(xué)性能強(qiáng)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(guò)仔細(xì)的錐化處理，在電信波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)了低至0.8 dB/cm的損耗。

5 v# m, c. m0 N0 g. L2 K通過(guò)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(chǎng)面積如何隨芯尺寸變化。

圖3：硅芯光纖的群速度色散（GVD）和有效模場(chǎng)面積（Aeff）隨芯直徑的變化。

6 v% w6 ]! S8 A* ~0 O4 X+ u非線性光學(xué)應(yīng)用半導(dǎo)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(xué)應(yīng)用：
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(zhǎng)轉(zhuǎn)換。使用僅0.63 mW平均泵浦功率在電信波段實(shí)現(xiàn)了9 dB的凈參量增益。
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(dá)3.7 dB的增益。
: q/ U; v6 P/ s: H2 j3 x/ K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(hào)的倍頻。
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圖4：半導(dǎo)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。
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未來(lái)展望
. I/ u  ]% n6 V5 f$ a2 i" o8 J. S在開(kāi)發(fā)用于非線性光電子技術(shù)的半導(dǎo)體芯光纖方面取得了重大進(jìn)展，但仍有幾個(gè)未來(lái)發(fā)展的領(lǐng)域：

新材料：超越硅，擴(kuò)展到其他半導(dǎo)體如GaAs或ZnSe可能實(shí)現(xiàn)新功能，特別是對(duì)于二階非線性效應(yīng)。

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

集成：開(kāi)發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)光纖的穩(wěn)健耦合方法對(duì)于半導(dǎo)體芯光纖器件的實(shí)際部署非常必要。
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5 T; v! Y5 \  ^' Z0 G2 S- I圖5：半導(dǎo)體芯光纖與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SMF）集成的概念，用于實(shí)際器件實(shí)現(xiàn)。
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結(jié)論
半導(dǎo)體芯光纖代表了值得期待的新平臺(tái)，結(jié)合了半導(dǎo)體的高非線性和光纖的靈活性。通過(guò)制造和后處理技術(shù)的進(jìn)步，這些光纖正在成為一項(xiàng)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(jìn)和新材料的探索，半導(dǎo)體芯光纖有望實(shí)現(xiàn)新型非線性光學(xué)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。

1 T0 J' ?* h- t* w- y! q) L參考文獻(xiàn)
[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.
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