Nanophotonics | 半导体芯光纤：非线性光电子技术的新平台

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引言半导体芯光纤正在成为非线性光电子应用的新平台。通过将半导体的紧密光束限制和高非线性折射率与光纤的灵活性和稳健性相结合，这些混合结构为宽波长范围内的非线性光学处理开辟了新的可能性。本文将概述半导体芯光纤的制造、表征和应用，重点关注非线性光电子技术的应用。

* d) R; h! P; m- ]/ ^制造方法
# N" j0 T( h6 z' u; T- N2 m制造半导体芯光纤的主要方法是熔芯拉丝技术（MCD）。在这个过程中，将半导体材料放置在玻璃管预制件内，然后使用传统的光纤拉丝塔加热并拉成光纤。当预制件被加热时，半导体芯熔化，而玻璃包层变得粘稠，使两种材料能够被共同拉制成光纤几何结构。
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图1：制造半导体芯光纤的熔芯拉丝方法示意图。

+ A8 L- V2 G5 a. n& JMCD技术允许大规模生产长度的半导体芯光纤。然而，高拉丝温度可能导致一些挑战，包括包层材料向芯扩散和形成多晶芯。为解决这些问题，开发了各种后处理技术。
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后处理技术使用两种关键的后处理方法来改善已拉制半导体芯光纤的质量并调整其性能：
) k; G- w4 h- K  F0 ^( m激光处理：使用聚焦激光束局部加热、熔化和重结晶半导体芯。这可以改善结晶度，减少缺陷，并允许对芯的性能进行空间变化的修改。
锥化：局部加热并拉伸光纤以减小其直径。这允许精确控制芯的尺寸，并可以显著改变光学性能。
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! O$ g2 ]% N  u这些后处理技术对于减少传输损耗和调整半导体芯光纤的色散性能以用于非线性应用非常重要。
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" C% u" {3 `/ E! Q: S8 H$ m5 L图2：后处理技术示意图：（左）激光处理和（右）半导体芯光纤的锥化。

9 G) _. i2 x) j& R2 l这些后处理技术对于减少传输损耗和调整半导体芯光纤的色散性能以用于非线性应用非常重要。
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1 i, P% n9 A9 z) x光学表征半导体芯光纤的光学性能强烈依赖于芯材料、尺寸和处理。硅芯光纤已经被广泛研究，通过仔细的锥化处理，在电信波长下实现了低至0.8 dB/cm的损耗。

通过控制芯直径可以调整色散性能。图3显示了硅芯光纤的群速度色散和有效模场面积如何随芯尺寸变化。

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3 |' @/ n# V5 D+ c图3：硅芯光纤的群速度色散（GVD）和有效模场面积（Aeff）随芯直径的变化。
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非线性光学应用半导体芯光纤的高非线性和可调色散使其适用于各种非线性光学应用：
/ D/ w0 f5 r4 ~) o0 ~' K四波混频（FWM）：在硅芯光纤中已经演示了FWM用于参量放大和波长转换。使用仅0.63 mW平均泵浦功率在电信波段实现了9 dB的净参量增益。
拉曼散射：在硅芯光纤中观察到了受激拉曼散射，使用2 μm泵浦在中红外区域实现了高达3.7 dB的增益。
超连续谱生成：在锥化的硅芯光纤中，使用3 μm泵浦生成了跨度从1.6到5.3 μm的宽广超连续谱。
& X- Q1 W  F( o+ a) }二次谐波生成：虽然大多数工作集中在硅上，但ZnSe芯光纤已被用于演示二次谐波生成，用于电信信号的倍频。
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: ^5 ]& W% |8 M, x, ?8 ?图4：半导体芯光纤中演示的非线性应用示例：（a） 四波混频，（b） 拉曼散射，（c） 超连续谱生成，和 （d） 二次谐波生成。
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未来展望
在开发用于非线性光电子技术的半导体芯光纤方面取得了重大进展，但仍有几个未来发展的领域：

新材料：超越硅，扩展到其他半导体如GaAs或ZnSe可能实现新功能，特别是对于二阶非线性效应。

改进制造：进一步减少损耗并提高结晶质量将增强非线性应用的性能。

集成：开发与标准光纤的稳健耦合方法对于半导体芯光纤器件的实际部署非常必要。
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图5：半导体芯光纤与标准单模光纤（SMF）集成的概念，用于实际器件实现。
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2 o3 {, P  s8 t, e5 \结论
半导体芯光纤代表了值得期待的新平台，结合了半导体的高非线性和光纤的灵活性。通过制造和后处理技术的进步，这些光纤正在成为一项可行的技术，用于跨越近红外到中红外的非线性光电子应用。随着制造方法的改进和新材料的探索，半导体芯光纤有望实现新型非线性光学器件和系统，弥合传统光纤和光电子集成线路之间的差距。

参考文献
4 W! l) X; x, p, J$ N[1] M. Huang, J. Ballato, and A. C. Peacock, "Semiconductor core fibres: a scalable platform for nonlinear photonics," npj Nanophotonics, vol. 1, no. 21, pp. 1-12, 2024, doi: 10.1038/s44310-024-00026-5.
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