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比利时研究人员开发出新型可见光宽带光源

2015.10.10

　　分析测试百科网讯一种应用在色散设计的氮化硅波导上的新刻蚀方法已经被开发出来，并进行了实验验证。

在超连续谱的产生过程中，多个非线性光学效应的相互作用导致频谱大幅扩大。因此，超连续谱的产生规避了对合适的增益介质的需求，并且使可操作的电磁频谱的中红外区域的高亮度空间相干宽带光源得到发展。类似的可以在可见到近红外波长区域操作的光源将会是几个生物学应用的有用组成部分（因为在这个光谱区域组织吸收是比较低的）。这种光源的潜在应用包括光学相干层析成像和相干反斯托克斯拉曼光谱。

　　超连续谱的概念首次提出以后，光子晶体光纤（PCFs）的出现促进了超连续谱的研究活动。这些纤维可以提供相对较强的光与物质的相互作用以及较好的对色散的控制度。因此，PCFs已经成为学术研究以及商业产品启动富有成果的平台（例如：NKT的光子超连续谱光源）。最近，得益于集成光学平台，超连续谱的产生已经重新获得关注。在这些设备中，纳米光子波导被用来将光挤到一个很小的区域中去。这大大降低了超连续谱产生需要的阈值功率。此外，硅和氮化硅光子平台与CMOS制备的器件相兼容。因此，超连续谱光源的尺寸可以尽可能缩小，并降低价格增加产量。

　　该团队为超连续谱的产生开发了新的氮化硅光子平台，该平台涵盖了生物相关的光谱范围。该团队用一种新兴的CMOS兼容材料氮化硅来工作，原因是它具有大的透明窗口、相对较高的非线性度以及高折射率。实际上，氮化硅平台先前已经成功地展示了在超宽带超连续谱和频率梳方面的应用。

　　相位匹配是一个重要过程，该团队利用它将超连续谱的产生氮化硅波导转换成一组非线性信道。相位匹配涉及到与四波混频的非线性过程有关的动量守恒。在超连续谱的产生过程中，相位匹配条件与群速度色散（GVD）水平密切相关。该团队表示可以通过调整GVD来调整不同的占主导地位的频谱展宽机制。

　　该团队用一个小级别的异常GVD来设计波导以使他们有利于更广泛的频谱生成。然而，获得小的异常分散水平是一件不容易的事。这是因为氮化硅具有很强的正态材料分散，这是由接近的材料带隙引起的。因此需要通过波导色散来补偿强大的正态物质分散。继之前开发的方法后，该团队通过部分刻蚀波导管芯下方的氧化硅实现了氮化硅波导的异常色散。该团队设计的波导基本准横电模式得到的GVD如图1所示（装置结构也显示在图1中）。该团队通过刻蚀超150nm的波导底部包层来确保其良好的机械稳定性以及超连续谱产生所需的色散。

图1. 三个不同的蚀刻水平的刻蚀氮化硅波导GVD。插图显示了波导的横截面示意图。

　　超连续谱产生的实验装置如图2所示。种子脉冲来源于钛元素：蓝宝石激光，发射波长795nm。该团队用显微镜物镜把激光耦合到波导中。图2中的照片清楚地表明，直波导的另一半产生的超连续谱已经拓展到可见光波长区域。该团队用透镜光纤收集广谱，然后将它送到光学频谱分析仪来进行表征。得到的结果作为耦合输入峰值功率的函数显示在图3中。在最大可用耦合功率（874w），−30dB带宽跨越490nm（488–978nm），即，略超过一个倍频程。

图2. 超连续谱产生的实验装置示意图。光从MaiTai钛发出：蓝宝石（Ti：蓝宝石）激光。然后光通过显微镜物镜耦合进入氮化硅波导并通过一个透镜光纤耦合。照片显示可见光是作为最终结果产生的。超连续谱是通过传到光谱分析仪（OSA）进行表征的。λ/ 2：半波片。PBS：偏振分束器。TM:横向磁场。TE：横向电。

图3. 几种输入峰值功率的氮化硅波导的光谱输出。为了图像比较清晰，对纵轴上的光谱进行了偏移。

　　该团队已经将刻蚀技术拓展到了氮化硅光子平台，该平台可以用来产生倍频程的超连续谱光源。产生的超连续谱扩展到可见光的波长，并且因此覆盖了主要透明窗口的水，这在生物学上是至关重要的。因此，该设备可以作为一种新型的、紧凑的可见光宽带光源应用在拉曼光谱、激光共聚焦显微镜、光学相干断层扫描以及频率计量中。下一阶段的工作，该团队会将色散设计方法应用到环形谐振器来产生频率梳。这可能有助于降低泵的功率要求并为完全集成的生物检测设备铺平道路。

氮化硅超连续谱波导

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比利时研究人员开发出新型可见光宽带光源

周锦帆