2010中国光学:硅基上硫系玻璃微纳非线性光子器件
2011-05-31

      普通单模光纤直接拉制的微纳光纤由于具有新颖的物理、化学和生物学特性以及在微纳米器件中的潜在应用,成为当今微纳光子学的研究热点。这些通过“至上而下”(Top down)的方法制成的光纤是利用普通的光纤作为预制棒,通过加热的方法拉锥而成的,与比较其他用“自下而上”(Bottom up)的方法合成的纳米线结构相比,具有直径均匀、表面光滑和极低传输损耗的特点。硫系玻璃光纤也可以通过这种“自上而下”的方法拉制到微纳尺寸。结合微纳光纤的波导色散特性对光场的强束缚特性以及硫系玻璃的高光学非线性的特点,硫系玻璃微纳光纤可用于低阈值的光学非线性器件。目前为止大部分的实验都是利用裸露的光纤,器件稳定性较差,受环境污染会引起性能的下降。

      复旦大学徐雷教授等(Opt. Lett. 2010,35, 3829-3831)采用商用的As-S玻璃光纤(直径100 μm)在加热过程中拉伸的方法制作微纳光纤,最细的直径达到200 nm,是目前报道的最小直径硫系玻璃微纳光纤。从微纳光纤SEM图可以看出,由于光纤是通过加热熔融冷却得到,侧壁光滑。为解决裸露微纳光纤易受环境影响、硫系玻璃微纳光纤比较脆弱,稳定性较差等问题,采用聚合物SU8(在波长为1550 nm下折射率为1.57)把光纤封装在硅基片上,从而提高器件的稳定性和牢固性。SU8是非常坚固的聚合物,其固化温度(150 ℃)低于As2S3的玻转温度,不会破坏光纤。由于SU8紧密地黏住了光纤,整个基片可以通过硅片解理得到一个平整的端面。

      由于微纳光纤倏逝场很强,将光纤打成结的形状,由于倏逝波耦合,部分光被束缚在结内部,形成结型微腔,可用于微腔激光器、传感。但裸露的结型微腔不稳定,尺寸和形状易被外界改变。用前述相同的方法将硫系玻璃微纳光纤结型微腔封装在硅片上,得到稳定的平面微腔结构。测量由直径2 μm光纤形成的直径约为600 μm的结型微腔的透射谱,可得到耦合深度超过10 dB的环形腔模式,最高环形腔品质因子(Q)为3.9×104,这个值与其他的二氧化硅光纤结型微腔相当(5 ×104),高于硫系玻璃二氧化硅玻璃光纤复合结型微腔(1×104)。在此基础上,利用硫系玻璃材料的光致暗化导致的材料折射率改变特性,实现了对环形腔模式共振波长的精细调节。调节范围达3个自由光谱程以上,可作为可调滤波器应用。

      最后,利用硫系玻璃微纳光纤模场束缚性强和三阶光学非线性系数高的特点,实现了超连续展宽。以中心波长为1560 nm的光纤飞秒激光器为激发源,在1 μm直径7 cm长的硫系微纳波导器件中产生了覆盖从短波1200 nm到长波1700 nm范围的超连续谱。需要指出的是受光谱分析仪探测范围限制,1700 nm以上的光谱无法探测,故实际的光谱宽度可能超过500 nm。

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