Nature 子刊：納米線與硅波導的靈活集成

【引 言】

微納光波導由于具有緊湊、功耗低和光約束能力強等獨特優勢，在光通信、光信息處理以及光學傳感等方面有廣泛的應用前景，同時也為納米光子學中的基礎研究提供了一個比較成熟的平臺。單一的材料并不能一直滿足微納光波導各種新的應用和研究需求，因此相關器件的設計和制備經常需要用到更多材料進行功能化集成。

【成果簡介】

近日，浙江大學的童利民教授(通訊作者)等人研究了硅波導與自由納米線靈活的功能化集成，其成果以“Flexible integration of free-standing nanowires into silicon photonics”為題于2017年6月14日發表在期刊Nature Communications上，研究結果顯示CdS納米線與硅波導在光通信波段的耦合效率高達97%。此外，研究人員還制備出混合Mach-Zehnder干涉器及跑道形諧振腔，在研究混合干涉器的全光調制特性時發現泵浦納米線具有比泵浦硅波導高4倍的調制深度，在測量混合跑道形諧振腔的諧振譜時獲得了16dB的消光比和1400的品質因子。最后，科研人員利用鉺鐿共摻碲酸鹽玻璃納米光纖與硅波導環腔的復合，演示了光通信波段的片上光源。

【圖文導讀】

圖1. 自由納米線與硅波導的并排式耦合

a).耦合方案示意圖，白色箭頭表示光傳播的方向。

b).納米線－硅波導耦合結果的SEM圖像。CdS納米線直徑為730nm，硅波導寬280nm。b圖下半部分顯示了預定義耦合長度約為2.3μm。

c).光學顯微鏡下測量裝置的照片。

d).直徑860nm的CdS納米線分別與寬度為280nm/300nm/320nm的硅波導的耦合效率。耦合長度約2.5μm。

圖2. CdS納米線-硅波導混合Mach–Zehnder干涉器的全光調制

a).由U型硅波導（寬300nm）和CdS納米線（直徑950nm）集成的Mach–Zehnder干涉器的SEM圖像。硅波導與納米線的臂長分別為183μm和59μm。插圖為右邊耦合區的放大圖。

b).混合Mach–Zehnder干涉器的透射譜。

c).基于混合Mach–Zehnder干涉器的全光調制示意圖，A、B圓圈分別表示納米線和硅波導上的光斑區。

d).用405nm脈沖光通過光纖維泵浦混合Mach–Zehnder干涉器的調制信號輸出結果。

圖3. CdS納米線與硅波導的垂直耦合

a).垂直耦合結構示意圖。CdS納米線平行地架在兩根硅波導上。白色箭頭表示光傳播方向。

b).CdS納米線（直徑770nm）與硅波導（寬320nm）的耦合效率。插圖是預定義耦合長度為4μm的耦合結構SEM圖像。

c).由納米線和硅波導集成的跑道型混合諧振腔的SEM圖，CdS納米線直徑730nm、長60μm，硅波導寬320nm、長154μm。一根直波導作為總線和跑道形波導的圓弧部分耦合以測量混合諧振腔的光學特性。

d).混合諧振腔的透射譜。圖中顯示出消光比可達到16dB，而品質因子最大到1400左右。

e).采用450nm脈沖光泵浦懸空的CdS納米線得到的全光調制輸出信號。

圖4. 硅波導環形諧振腔與鉺鐿共摻碲酸鹽玻璃納米光纖集成的片上光源

a).集成碲酸鹽玻璃納米光纖的硅波導跑道型諧振腔的SEM圖像。諧振腔周長121μm，納米光纖直徑980nm、長193μm。

b).納米光纖-跑道型諧振腔復合結構的光學顯微照片。976nm泵浦光用于激發摻雜光纖的熒光，納米光纖表面的綠色來自Er³⁺的上轉換熒光。

c).圖b中耦合到總線波導的光譜信號。這是用光纖收集到的光譜信號以光柵的透過率得到的。

d).從環腔耦合到總線波導的光譜信號。硅波導跑道型諧振腔周長為50μm，亞碲酸鹽玻璃納米線直徑960nm、長216μm。

【小 結】

微納光波導的功能化集成能夠為光學器件帶來功能拓展與性能提高。童利民教授等人首次實現了硅波導和納米線的高效耦合，并制備出利用976nm連續光泵浦的光通信波段片上光源。其研究結果表明，其他有源納米線也可以用來和硅基光路集成制備更完善的片上光源。納米線和硅基光子線路的靈活集成可以發揮兩者的優勢，在一定程度上補充了各自的不足，并能展示它們的一系列新特點和優勢，這為新型高性能納米光子器件的制備提供新的思路。

文獻鏈接：Flexible integration of free-standing nanowires into silicon photonics（Nature Communications, 2017, Doi:10.1038/s41467-017-00038-0）

本文由材料人編輯部新人組謝元林編譯，朱曉秀審核，點我加入材料人編輯部。

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