【摘 要】
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随着互联网技术的飞速发展和信息流量的持续增长,芯片层面的超高速、低延迟、大带宽的硅光子功能器件日益受到关注。但受限于硅的间接带隙半导体属性,其禁带宽度较窄,内部存在多种非辐射复合机制,导致了其发光效率极低,给片上光源的发展和应用带来了极大挑战。硫系材料具有超宽的透过光谱范围、较高的非线性、较低的吸收及丰富的材料组分等特点,能打破片上光源发展受限的局面,从而成为国际研究热点。以此为基础发展起来的片上
【基金项目】
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国家自然科学基金重点项目“新型动态微纳光子器件与应用的基础研究”（61935013）； 国家自然科学基金面上项目“基于片上硫系微环的高性能光频梳产生与调控”（61975242）； 国家自然科学基金青年基金项目“面向多谱段成像系统的新型窗口材料开发与研究”（62005098）； 科技部宽
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随着互联网技术的飞速发展和信息流量的持续增长,芯片层面的超高速、低延迟、大带宽的硅光子功能器件日益受到关注。但受限于硅的间接带隙半导体属性,其禁带宽度较窄,内部存在多种非辐射复合机制,导致了其发光效率极低,给片上光源的发展和应用带来了极大挑战。硫系材料具有超宽的透过光谱范围、较高的非线性、较低的吸收及丰富的材料组分等特点,能打破片上光源发展受限的局面,从而成为国际研究热点。以此为基础发展起来的片上传感器,极大地丰富了生化检测手段,提高了检测准确性及效率,极大地促进了小型化片上传感检测及片上光谱仪的发展。目前,基于硫系材料的片上光源主要是通过利用超短脉冲抽运硫系光波导产生超连续光谱来实现的,其实现的研究方案主要有As2S3和Ge11.5As24Se64.5两种,但还存在以下问题:（1）As2S3玻璃薄膜受光辐照容易产生光致暗化效应;（2）含Se的玻璃薄膜抗激光损伤特性较差。因此,如何获得光学性能稳定、高抗激光损伤阈值的高质量硫系玻璃薄膜是需要解决的关键科学与技术问题。本文的研究工作针对硫系片上超连续光源面临的上述关键科学与技术问题展开,实现了硫系玻璃薄膜及波导的制备,并对其光学特性进行了研究;提出、设计并实现了基于硫系光波导的片上超连续光源,并对波导的可重复使用及输出光谱的稳定性进行了深入的研究,在此基础上实现了基于片上超连续光源的片上检测,为进一步实现高性能的生化传感检测提供了技术支持。论文的主要内容和创新性成果如下:1.根据非线性传输理论推导了矩形波导中传输模式的特征方程及其数值分析;然后推导了矩形光波导中超短脉冲的传输方程及其数值分析方法,并详细分析了每个参数的物理意义以及窗口设定、步长选取和噪声模型;研究了色散和非线性效应对超连续产生的作用,数值模拟了飞秒脉冲泵浦下零色散波长与泵浦位置的选取对频谱展宽机制的影响,为实验研究片上超连续光源奠定了理论基础。2.针对多组分硫系薄膜的光学稳定性研究了硫系玻璃薄膜及波导的制备工艺和表征方法。通过真空热蒸镀法研究了多组分硫系薄膜的制备工艺,采用双孔钽舟控制薄膜沉积过程,解决了非平衡条件下薄膜的稳定性,实现了致密性高、粘附性好、均匀光滑的硫系薄膜的制备;研究了硫系薄膜及玻璃的光学性能的表征方法及原理,其表征结果作为改进制备工艺的依据,从而为获得高质量硫系薄膜提供了检验标准;研究并优化了硫系波导的加工工艺,实现了低损耗硫系波导的制备;设计搭建了硫系光波导的空间耦合系统及非线性传输平台,为实现稳定的基于硫系光波导片上超连续光源奠定了良好的实验基础。3.为了提高硫系薄膜的抗激光损伤特性,在As2S3中掺入Ge提出了一种基于Ge11.5As24S64.5平面光波导的片上超连续光源。通过非线性光学表征验证了制备的Ge11.5As24S64.5薄膜与体玻璃结构一致以及其高抗激光损伤特性;利用有限元法对硫系波导结构参数进行设计优化实现了波导的色散调控;实验上实现了覆盖范围为0.9-2.0μm的超连续光谱。4.针对含As体系易氧化不利于环保,通过用Sb替代As提出了一种基于环境友好型硫系玻璃组分Ge25Sb10S65平面光波导的片上超连续光源,并实现了对β-苯乙胺溶液的片上检测。研究了Ge-Sb-S玻璃的组分、结构和光学特性,获得了与体玻璃光学性能高度一致的Ge25Sb10S65组分薄膜,其具有更高的抗激光损伤特性,损伤阈值达817.6 GW/cm~2;通过对两种不同厚度波导进行色散调控实现了通信波长近零反常色散,并分别在实验上实现了片上超连续光源。其中,厚度为900 nm波导输出光谱的覆盖范围为850-2150 nm;在厚度1.4μm波导中,实现了光谱范围扩展至870-2480 nm,其长波边可达2.5μm,并实现了对不同浓度β-苯乙胺溶液的检测,其灵敏度为1.92 d B/（mol/L）。
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