Nanophotonics | 半導體芯光纖：非線性光電子技術的新平臺

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引言半導體芯光纖正在成為非線性光電子應用的新平臺。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)健性相結合，這些混合結構為寬波長范圍內(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、表征和應用，重點關注非線性光電子技術的應用。

制造方法
制造半導體芯光纖的主要方法是熔芯拉絲技術（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構。

9 B. D, a8 _4 t0 Y圖1：制造半導體芯光纖的熔芯拉絲方法示意圖。

; `, X1 ~8 [4 Z* E6 `MCD技術允許大規(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。
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7 W) y+ z' t! N9 `: C后處理技術使用兩種關鍵的后處理方法來改善已拉制半導體芯光纖的質量并調整其性能：
激光處理：使用聚焦激光束局部加熱、熔化和重結晶半導體芯。這可以改善結晶度，減少缺陷，并允許對芯的性能進行空間變化的修改。
& H. _* R+ i& `* g3 ^9 P9 n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。
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: ~# y% ~( ^+ K1 R2 P這些后處理技術對于減少傳輸損耗和調整半導體芯光纖的色散性能以用于非線性應用非常重要。

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圖2：后處理技術示意圖：（左）激光處理和（右）半導體芯光纖的錐化。

) v; X' d3 n9 c) n, D3 k; D這些后處理技術對于減少傳輸損耗和調整半導體芯光纖的色散性能以用于非線性應用非常重要。
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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。

$ g1 c1 l9 Y+ [* L8 Z0 X通過控制芯直徑可以調整色散性能。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。

( d) C2 }- i, J9 ]1 r7 m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。

非線性光學應用半導體芯光纖的高非線性和可調色散使其適用于各種非線性光學應用：
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轉換。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。
# a" m; D  b' [2 _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)域實現(xiàn)了高達3.7 dB的增益。
1 e1 t1 ]) _0 S, B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。
7 d5 o2 t# m) Q, a, E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。
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圖4：半導體芯光纖中演示的非線性應用示例：（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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未來展望
在開發(fā)用于非線性光電子技術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。

改進制造：進一步減少損耗并提高結晶質量將增強非線性應用的性能。

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。
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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)。
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" A$ [  {/ y8 c8 e" I結論
9 M* \8 p0 A* _+ z半導體芯光纖代表了值得期待的新平臺，結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的進步，這些光纖正在成為一項可行的技術，用于跨越近紅外到中紅外的非線性光電子應用。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。

0 V& M: m: C7 |8 E6 m' F參考文獻
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