[论文解读] High quality waveguides for the mid-infrared wavelength range in a silicon-on-sapphire platform

Fangxin Li, Stuart D. Jackson+11 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 10被引用 41

一句话总结

本文展示了高性能的硅-on-蓝宝石波导，在中红外波段实现了创纪录的低传播损耗，1550 nm 处为 0.8 dB/cm，2080 nm 处为 1.1–1.4 dB/cm，5.18 µm 处低于 2 dB/cm。该平台利用蓝宝石衬底上的硅纳米线，最大限度减少散射和吸收，实现了中红外光子应用的低损耗传输。

ABSTRACT

We report record low loss silicon-on-sapphire nanowires for applications to mid infrared optics. We achieve propagation losses as low as 0.8dB/cm at 1550nm, 1.1 to 1.4dB/cm at 2080nm and < 2dB/cm at = 5.18 microns.

研究动机与目标

• 开发适用于中红外（mid-IR）光谱范围的低损耗波导，以支持先进光子学应用。
• 解决现有中红外波导平台中传播损耗过高的挑战。
• 利用硅-on-蓝宝石（SOS）衬底的优势，提升光学质量并减少散射。
• 在关键中红外波长（包括 2080 nm 和 5.18 µm）上实现超低传播损耗的演示。
• 建立可扩展、高性能的中红外集成光子学平台。

提出的方法

• 使用高质量蓝宝石衬底制造硅-on-蓝宝石（SOS）波导，以减少散射损耗。
• 采用电子束光刻和反应离子束蚀刻技术，定义纳米尺度的硅波导。
• 通过优化波导尺寸和表面平整化，最大限度减少散射和辐射损耗。
• 利用切开法测量多个中红外波长下的传播损耗。
• 在 1550 nm、2080 nm 和 5.18 µm 处表征波导性能，以评估损耗趋势。
• 利用蓝宝石的晶格和热膨胀系数失配特性，提升波导的稳定性和光学质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 硅-on-蓝宝石波导能否在中红外波段实现低于 1 dB/cm 的传播损耗？
• RQ2 在 2080 nm 和 5.18 µm 处，硅纳米线在蓝宝石上可实现的最低传播损耗是多少？
• RQ3 与其它中红外波导平台相比，SOS 平台在光学损耗和材料相容性方面表现如何？
• RQ4 在硅-on-蓝宝石波导中，表面粗糙度和散射可被最小化到何种程度？
• RQ5 SOS 平台能否在宽广的中红外带宽内支持低损耗传输？

主要发现

• 波导在 1550 nm 处实现了创纪录的 0.8 dB/cm 传播损耗，表明在近红外波段表现出卓越性能。
• 在 2080 nm 处，传播损耗测量值为 1.1–1.4 dB/cm，表明在中红外波段具有优异性能。
• 在 5.18 µm 处，传播损耗低于 2 dB/cm，证实其适用于长波长中红外应用。
• 由于采用高质量蓝宝石衬底和光滑的波导表面，硅-on-蓝宝石平台显著降低了散射损耗。
• 结果表明，SOS 波导是实现低损耗中红外集成光子学的有前途平台。
• 本研究为 1.5–5.2 µm 波段内基于硅的波导传播损耗设立了新基准。