Nature 子刊：纳米线与硅波导的灵活集成

【引 言】

微纳光波导由于具有紧凑、功耗低和光约束能力强等独特优势，在光通信、光信息处理以及光学传感等方面有广泛的应用前景，同时也为纳米光子学中的基础研究提供了一个比较成熟的平台。单一的材料并不能一直满足微纳光波导各种新的应用和研究需求，因此相关器件的设计和制备经常需要用到更多材料进行功能化集成。

【成果简介】

近日，浙江大学的童利民教授(通讯作者)等人研究了硅波导与自由纳米线灵活的功能化集成，其成果以“Flexible integration of free-standing nanowires into silicon photonics”为题于2017年6月14日发表在期刊Nature Communications上，研究结果显示CdS纳米线与硅波导在光通信波段的耦合效率高达97%。此外，研究人员还制备出混合Mach-Zehnder干涉器及跑道形谐振腔，在研究混合干涉器的全光调制特性时发现泵浦纳米线具有比泵浦硅波导高4倍的调制深度，在测量混合跑道形谐振腔的谐振谱时获得了16dB的消光比和1400的品质因子。最后，科研人员利用铒镱共掺碲酸盐玻璃纳米光纤与硅波导环腔的复合，演示了光通信波段的片上光源。

【图文导读】

图1. 自由纳米线与硅波导的并排式耦合

a).耦合方案示意图，白色箭头表示光传播的方向。

b).纳米线－硅波导耦合结果的SEM图像。CdS纳米线直径为730nm，硅波导宽280nm。b图下半部分显示了预定义耦合长度约为2.3μm。

c).光学显微镜下测量装置的照片。

d).直径860nm的CdS纳米线分别与宽度为280nm/300nm/320nm的硅波导的耦合效率。耦合长度约2.5μm。

图2. CdS纳米线-硅波导混合Mach–Zehnder干涉器的全光调制

a).由U型硅波导（宽300nm）和CdS纳米线（直径950nm）集成的Mach–Zehnder干涉器的SEM图像。硅波导与纳米线的臂长分别为183μm和59μm。插图为右边耦合区的放大图。

b).混合Mach–Zehnder干涉器的透射谱。

c).基于混合Mach–Zehnder干涉器的全光调制示意图，A、B圆圈分别表示纳米线和硅波导上的光斑区。

d).用405nm脉冲光通过光纤维泵浦混合Mach–Zehnder干涉器的调制信号输出结果。

图3. CdS纳米线与硅波导的垂直耦合

a).垂直耦合结构示意图。CdS纳米线平行地架在两根硅波导上。白色箭头表示光传播方向。

b).CdS纳米线（直径770nm）与硅波导（宽320nm）的耦合效率。插图是预定义耦合长度为4μm的耦合结构SEM图像。

c).由纳米线和硅波导集成的跑道型混合谐振腔的SEM图，CdS纳米线直径730nm、长60μm，硅波导宽320nm、长154μm。一根直波导作为总线和跑道形波导的圆弧部分耦合以测量混合谐振腔的光学特性。

d).混合谐振腔的透射谱。图中显示出消光比可达到16dB，而品质因子最大到1400左右。

e).采用450nm脉冲光泵浦悬空的CdS纳米线得到的全光调制输出信号。

图4. 硅波导环形谐振腔与铒镱共掺碲酸盐玻璃纳米光纤集成的片上光源

a).集成碲酸盐玻璃纳米光纤的硅波导跑道型谐振腔的SEM图像。谐振腔周长121μm，纳米光纤直径980nm、长193μm。

b).纳米光纤-跑道型谐振腔复合结构的光学显微照片。976nm泵浦光用于激发掺杂光纤的荧光，纳米光纤表面的绿色来自Er³⁺的上转换荧光。

c).图b中耦合到总线波导的光谱信号。这是用光纤收集到的光谱信号以光栅的透过率得到的。

d).从环腔耦合到总线波导的光谱信号。硅波导跑道型谐振腔周长为50μm，亚碲酸盐玻璃纳米线直径960nm、长216μm。

【小 结】

微纳光波导的功能化集成能够为光学器件带来功能拓展与性能提高。童利民教授等人首次实现了硅波导和纳米线的高效耦合，并制备出利用976nm连续光泵浦的光通信波段片上光源。其研究结果表明，其他有源纳米线也可以用来和硅基光路集成制备更完善的片上光源。纳米线和硅基光子线路的灵活集成可以发挥两者的优势，在一定程度上补充了各自的不足，并能展示它们的一系列新特点和优势，这为新型高性能纳米光子器件的制备提供新的思路。

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

本文由材料人编辑部新人组谢元林编译，朱晓秀审核，点我加入材料人编辑部。

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