比利時研究人員開發出新型可見光寬帶光源

　　分析測試百科網訊 一種應用在色散設計的氮化硅波導上的新刻蝕方法已經被開發出來，并進行了實驗驗證。

　　

    在超連續譜的產生過程中，多個非線性光學效應的相互作用導致頻譜大幅擴大。因此，超連續譜的產生規避了對合適的增益介質的需求，并且使可操作的電磁頻譜的中紅外區域的高亮度空間相干寬帶光源得到發展。類似的可以在可見到近紅外波長區域操作的光源將會是幾個生物學應用的有用組成部分（因為在這個光譜區域組織吸收是比較低的）。這種光源的潛在應用包括光學相干層析成像和相干反斯托克斯拉曼光譜。

　　超連續譜的概念首次提出以后，光子晶體光纖（PCFs）的出現促進了超連續譜的研究活動。這些纖維可以提供相對較強的光與物質的相互作用以及較好的對色散的控制度。因此，PCFs已經成為學術研究以及商業產品啟動富有成果的平臺（例如：NKT的光子超連續譜光源）。最近，得益于集成光學平臺，超連續譜的產生已經重新獲得關注。在這些設備中，納米光子波導被用來將光擠到一個很小的區域中去。這大大降低了超連續譜產生需要的閾值功率。此外，硅和氮化硅光子平臺與CMOS制備的器件相兼容。因此，超連續譜光源的尺寸可以盡可能縮小，并降低價格增加產量。

　　該團隊為超連續譜的產生開發了新的氮化硅光子平臺，該平臺涵蓋了生物相關的光譜范圍。該團隊用一種新興的CMOS兼容材料氮化硅來工作，原因是它具有大的透明窗口、相對較高的非線性度以及高折射率。實際上，氮化硅平臺先前已經成功地展示了在超寬帶超連續譜和頻率梳方面的應用。

　　相位匹配是一個重要過程，該團隊利用它將超連續譜的產生氮化硅波導轉換成一組非線性信道。相位匹配涉及到與四波混頻的非線性過程有關的動量守恒。在超連續譜的產生過程中，相位匹配條件與群速度色散（GVD）水平密切相關。該團隊表示可以通過調整GVD來調整不同的占主導地位的頻譜展寬機制。

　　該團隊用一個小級別的異常GVD來設計波導以使他們有利于更廣泛的頻譜生成。然而，獲得小的異常分散水平是一件不容易的事。這是因為氮化硅具有很強的正態材料分散，這是由接近的材料帶隙引起的。因此需要通過波導色散來補償強大的正態物質分散。繼之前開發的方法后，該團隊通過部分刻蝕波導管芯下方的氧化硅實現了氮化硅波導的異常色散。該團隊設計的波導基本準橫電模式得到的GVD如圖1所示（裝置結構也顯示在圖1中）。該團隊通過刻蝕超150nm的波導底部包層來確保其良好的機械穩定性以及超連續譜產生所需的色散。

　　

圖1. 三個不同的蝕刻水平的刻蝕氮化硅波導GVD。插圖顯示了波導的橫截面示意圖。

　　超連續譜產生的實驗裝置如圖2所示。種子脈沖來源于鈦元素：藍寶石激光，發射波長795nm。該團隊用顯微鏡物鏡把激光耦合到波導中。圖2中的照片清楚地表明，直波導的另一半產生的超連續譜已經拓展到可見光波長區域。該團隊用透鏡光纖收集廣譜，然后將它送到光學頻譜分析儀來進行表征。得到的結果作為耦合輸入峰值功率的函數顯示在圖3中。在最大可用耦合功率（874w），?30dB帶寬跨越490nm（488–978nm），即，略超過一個倍頻程。

　　

圖2. 超連續譜產生的實驗裝置示意圖。光從MaiTai鈦發出：藍寶石（Ti：藍寶石）激光。然后光通過顯微鏡物鏡耦合進入氮化硅波導并通過一個透鏡光纖耦合。照片顯示可見光是作為最終結果產生的。超連續譜是通過傳到光譜分析儀（OSA）進行表征的。λ/ 2：半波片。PBS：偏振分束器。TM:橫向磁場。TE：橫向電。

　　

圖3. 幾種輸入峰值功率的氮化硅波導的光譜輸出。為了圖像比較清晰，對縱軸上的光譜進行了偏移。

　　該團隊已經將刻蝕技術拓展到了氮化硅光子平臺，該平臺可以用來產生倍頻程的超連續譜光源。產生的超連續譜擴展到可見光的波長，并且因此覆蓋了主要透明窗口的水，這在生物學上是至關重要的。因此，該設備可以作為一種新型的、緊湊的可見光寬帶光源應用在拉曼光譜、激光共聚焦顯微鏡、光學相干斷層掃描以及頻率計量中。下一階段的工作，該團隊會將色散設計方法應用到環形諧振器來產生頻率梳。這可能有助于降低泵的功率要求并為完全集成的生物檢測設備鋪平道路。