齊人鐸，翟彥芬，張巍，3，黃翊東，3

（1 清華大學(xué)電子工程系，量子信息前沿科學(xué)中心，北京市未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心，北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心，北京 100084）

（2 奧地利半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室，A 9524 Villach，Austria）

（3 北京量子信息科學(xué)研究院，北京 100193）

0 引言

集成光學(xué)的概念在20 世紀(jì)60 年代被首次提出，通過將光學(xué)器件集成在芯片上，使其具有體積小、穩(wěn)定性高、功耗低等優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，集成光學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)取得極大進(jìn)展。在集成光學(xué)器件中引入非線性光學(xué)過程，實(shí)現(xiàn)光子的產(chǎn)生和調(diào)控等功能，一直是集成光學(xué)的重要研究方向之一［1-3］。

硫化物玻璃是實(shí)現(xiàn)非線性集成光學(xué)器件的重要候選材料［4-7］。硫化物玻璃（Chalcogenide Glass，ChG）也稱硫系玻璃，是由硫系元素中的硫（S）、硒（Se）、碲（Te）這三種元素中的一種或多種，與其他的元素如砷（As）、鍺（Ge）、銻（Sb）等共價(jià)結(jié)合而形成的非晶態(tài)無機(jī)玻璃材料［4］。硫化物玻璃同時(shí)具有高非線性折射率與低雙光子吸收的特點(diǎn)［8］，具有優(yōu)良的三階非線性光學(xué)特性。另一方面，其較高的線性折射率與較低的聲速可以使光學(xué)模式與聲學(xué)模式同時(shí)限制在硫化物玻璃波導(dǎo)中［9］，便于實(shí)現(xiàn)高效率的光聲相互作用。因此，硫化物玻璃被廣泛地應(yīng)用于各種非線性集成光學(xué)器件的研究。但是，與在集成光學(xué)中常用的二氧化硅玻璃和晶體硅材料相比，硫化物玻璃的理化特性較為特殊［4，10-11］。硫化物玻璃的軟化點(diǎn)和熔融點(diǎn)普遍比較低，硬度偏軟且材質(zhì)脆易碎裂，并且易受堿性溶液腐蝕，這些特性使得傳統(tǒng)的半導(dǎo)體微細(xì)加工工藝難以直接應(yīng)用于硫化物玻璃集成光學(xué)器件的制備。因此，高質(zhì)量硫化物玻璃集成光學(xué)器件，特別是光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制備工藝一直是相關(guān)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

本文對(duì)硫化物玻璃集成光學(xué)波導(dǎo)的制備工藝進(jìn)行了全面的綜述，重點(diǎn)介紹利用硫化物玻璃在熔融狀態(tài)下流動(dòng)性好的特點(diǎn)，采用熱熔融自回流方法制備硫化物玻璃波導(dǎo)的工藝［12-13］。這種方法避免了對(duì)硫化物玻璃薄膜完整性的破壞，以及光刻膠顯影液對(duì)硫化物玻璃材料的腐蝕作用，可以得到高質(zhì)量的具有小模場(chǎng)面積的倒脊型硫化物玻璃波導(dǎo)，適合發(fā)展非線性集成光學(xué)器件。首先，簡(jiǎn)要介紹硫化物玻璃材料的基本光學(xué)特性，進(jìn)而對(duì)硫化物玻璃波導(dǎo)的制備工藝進(jìn)行了全面的綜述。然后，系統(tǒng)介紹了基于熱熔融自回流方法制備硫化物玻璃波導(dǎo)的工藝流程和樣品效果，以及波導(dǎo)樣品的三階非線性光學(xué)特性和受激布里淵散射特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。最后，展望了采用該方法發(fā)展硫化物玻璃非線性集成光學(xué)器件及其片上系統(tǒng)的新研究方向。

1 硫化物玻璃的光學(xué)特性

與常見的氧化物玻璃等材料相比，硫化物玻璃具有一些獨(dú)特的光學(xué)特性。首先，硫化物玻璃原子質(zhì)量相對(duì)較大、聲子振動(dòng)能量較低，因此具有良好的中紅外傳輸特性［4］。其中，硫基玻璃的中紅外透明波段在長(zhǎng)波方向可以達(dá)到11 μm，硒基與碲基玻璃則分別可以達(dá)到15 μm 與20 μm 以上。這使得硫化物玻璃在中紅外研究領(lǐng)域得到極大關(guān)注［14-16］。

此外，硫化物玻璃還具有明顯的光致效應(yīng)。當(dāng)硫化物玻璃受到特定波長(zhǎng)的光照射時(shí)，會(huì)引起內(nèi)部化學(xué)鍵的改變，從而導(dǎo)致材料物理特性的變化。硫化物玻璃中的光致效應(yīng)包括光致暗化［17-18］、光致擴(kuò)散［19］、光致結(jié)晶［20］等多種效應(yīng)。利用硫化物玻璃的光致效應(yīng)發(fā)展出了激光直寫制備硫化物玻璃波導(dǎo)、布拉格光柵或者光子晶體微腔等結(jié)構(gòu)的工藝方法［21-23］。硫化物玻璃中還存在一類特殊的相變材料（Phase-Change Material，PCM）［24］，這些材料在特定波長(zhǎng)與功率的光照射下可以實(shí)現(xiàn)非晶態(tài)與晶態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)器件物理特性的動(dòng)態(tài)調(diào)控。利用這一特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)光開關(guān)、光存儲(chǔ)以及超表面的動(dòng)態(tài)調(diào)控等功能［25-28］。

硫化物玻璃最受關(guān)注的特性之一是其良好的光學(xué)非線性特性。硫化物玻璃普遍具有較高的線性折射率n（一般為2～3）與三階非線性折射率n2，表1 為幾種常見的三階非線性光學(xué)材料與器件在通信波段的參數(shù)對(duì)比［4］。以常見的硫化砷玻璃As2S3為例，其非線性折射率約為n2= 2.9×10-18m2/W，比二氧化硅玻璃高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。與此同時(shí)，硫化砷玻璃的雙光子吸收（Two-Photon Absorption，TPA）系數(shù)遠(yuǎn)低于晶體硅，因此硫化砷玻璃波導(dǎo)具有遠(yuǎn)高于硅波導(dǎo)的三階非線性優(yōu)值（Figure of Merit，F(xiàn)OM）。這些特性使得硫化物玻璃成為實(shí)現(xiàn)三階非線性集成光學(xué)器件的良好材料。

表1 幾種典型三階非線性光波導(dǎo)在通信波段的光學(xué)參數(shù)［4］Table 1 Optical parameters of typical third-order nonlinear waveguides at telecom band［4］

另一方面，硫化物玻璃的光彈系數(shù)與布里淵增益系數(shù)較高，具有良好的光聲特性［9，36］。目前在光聲微腔和光聲晶體研究中通常使用的硅材料聲速較高，一般的硅條形波導(dǎo)或脊波導(dǎo)無法有效限制聲學(xué)模式，會(huì)導(dǎo)致聲波泄露到襯底材料中。因此需要制備懸空的硅波導(dǎo)或微腔結(jié)構(gòu)［37-38］以限制聲波，而這增加了制備工藝的復(fù)雜度，并且需要額外的輔助結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)聲學(xué)模式耦合等功能［39］。與晶體硅材料相比，硫化物玻璃具有相對(duì)較低的聲速，可以將聲波有效地限制在硫化物玻璃材料中，有望發(fā)展非懸空的新型光聲相互作用器件。表2 展示了幾種常見光聲相互作用材料的光聲特性對(duì)比［9］。可以看到，硫化砷玻璃的折射率高于二氧化硅，并且硫化砷玻璃中的聲速低于二氧化硅中的聲速，因此將硫化砷玻璃器件制備在二氧化硅襯底上，就可以將光模與聲模同時(shí)限制在硫化砷玻璃中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效的光聲相互作用。

表2 幾種典型集成光學(xué)材料的光聲特性參數(shù)［9］Table 2 Optical and elastic parameters of typical materials for photonic integration［9］

2 硫化物玻璃集成光學(xué)器件的制備工藝

硫化物玻璃具有良好的非線性光學(xué)特性，是實(shí)現(xiàn)非線性集成光學(xué)器件的良好材料。但是由于硫化物玻璃獨(dú)特的材料特性，硫化物玻璃集成光學(xué)器件的制備工藝一直是相關(guān)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。近年來發(fā)展出了多種制備硫化物玻璃集成光學(xué)器件的工藝方法，其中最常見的是刻蝕法。首先利用熱蒸發(fā)［40-41］、磁控濺射［42］、化學(xué)氣相沉積［43］、脈沖激光沉積［44］等方法在襯底上制備高質(zhì)量的硫化物玻璃薄膜，之后在薄膜上進(jìn)行紫外光刻或者電子束光刻，最后使用刻蝕工藝完成器件的制備。利用硫化物玻璃材料易溶解于堿性溶液的特性，可以使用NH4OH 等堿性溶液對(duì)硫化物玻璃薄膜進(jìn)行濕法刻蝕（如圖1（a）［45］）。但濕法刻蝕具有各向同性特性，會(huì)造成嚴(yán)重的側(cè)蝕現(xiàn)象，從而難以精確地控制器件的結(jié)構(gòu)尺寸。因此，感應(yīng)耦合等離子體（Inductively Coupled Plasma，ICP）刻蝕或者反應(yīng)離子刻蝕（Reactive Ion Etching，RIE）等干法刻蝕工藝逐漸取代濕法刻蝕，成為制備集成硫化物玻璃器件的重要方法［40，46-50］。然而由于硫化物玻璃易溶解于堿性溶液，因此光刻中使用的堿性顯影液會(huì)腐蝕硫化物玻璃薄膜，從而影響器件的質(zhì)量［4，11］。為解決這一問題，研究者提出在制備過程中引入保護(hù)層以防止工藝對(duì)硫化物玻璃薄膜造成的損傷。2010 年，CHOI D 等在硫化物玻璃薄膜上制備了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）與底部抗反射涂層（BARC）保護(hù)層，之后再進(jìn)行光刻與刻蝕的工藝，以防止顯影液對(duì)于硫化物玻璃薄膜的損傷［51］。利用這一工藝方法制備的As2S3脊波導(dǎo)樣品截面電鏡照片如圖1（b），波導(dǎo)尺寸為2 μm×0.85 μm，在1 550 nm 波段的傳輸損耗約為0.6 dB/cm。2021 年，ZHANG Rizhen 等使用二氧化硅作為保護(hù)層，并在刻蝕之前利用等離子體處理去除顯影工藝中的殘留成分，制備出了如圖1（c）所示的GeSbSe 微盤［47］，其在1 550 nm 波段的Q值約為5×105。此外，刻蝕氣體的選擇也是影響刻蝕效果的重要因素。2015 年CHILES J 等采用氯氣（Cl2）代替此前常用的CHF3或者CF4作為刻蝕氣體，制備了如圖1（d）所示的高質(zhì)量Ge23Sb7S70波導(dǎo)樣品［52］，波導(dǎo)截面尺寸為700 nm×650 nm，在1 550 nm 波段的傳輸損耗為0.54 dB/cm。

抬離法也是制備集成硫化物玻璃器件的常用方法之一［53-55］。首先在襯底上旋涂一層光刻膠，利用光刻將圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上。之后使用熱蒸發(fā)等工藝將硫化物玻璃薄膜沉積到帶有圖案的光刻膠之上，并使用有機(jī)溶劑去除襯底上的光刻膠。此時(shí)位于光刻膠上的硫化物玻璃薄膜也隨之被去除，從而在襯底上留下與光刻膠圖案相反的硫化物玻璃薄膜。2007 年HU Juejun 等首次采用抬離法制備出了Ge23Sb7S70波導(dǎo)樣品［53］，其中寬度為1.2 μm 的條形波導(dǎo)與脊波導(dǎo)在波長(zhǎng)1 550 nm 處的傳輸損耗分別為3.5 dB/cm 與0.5 dB/cm，但是波導(dǎo)側(cè)壁具有約65°的傾斜角度。2010 年HU Juejun 等利用抬離法制備了As2S3微環(huán)樣品，并在抬離后對(duì)樣品進(jìn)行加熱回流以降低表面粗糙度［56］（圖1（e））。制備出的波導(dǎo)樣品截面尺寸為800 nm×400 nm，在1 550 nm 處的傳輸損耗約為3.5 dB/cm。2020 年LI Chengdong 等利用抬離法制備了嵌在襯底中的條形Ge28Sb12Se60波導(dǎo)［55］（圖1（f）），其中尺寸為3 μm×1 μm 的波導(dǎo)樣品傳輸損耗為2.2 dB/cm。

除了以上主流制備工藝方法，硫化物玻璃材料特殊的理化特性還為此類集成光學(xué)器件的制備提供了新手段。比如，溶液旋涂法利用了硫化物玻璃易溶于有機(jī)胺等溶劑的特性［57-59］。首先，將硫化物玻璃粉末放置于乙二胺或正丙胺等有機(jī)胺溶劑中，經(jīng)過充分?jǐn)嚢韬髮⑷芤盒坑谝r底上，再經(jīng)過加熱使溶劑揮發(fā)，即可形成硫化物玻璃薄膜。1982 年CHERN G C 與LAUKS I 利用溶液旋涂法制備了幾種常見的硫化物玻璃薄膜，并對(duì)薄膜的物理特性進(jìn)行了研究［60］。如果進(jìn)一步將溶液旋涂在刻有圖案的襯底上，溶液則會(huì)填充到襯底的圖案中，再將溶劑揮發(fā)后即可形成相應(yīng)的倒脊型硫化物玻璃器件。2014 年ZHA Yunlai 等利用溶液旋涂法制備了As2S3倒脊型中紅外波導(dǎo)［58］（圖1（g）），其模場(chǎng)面積約為28 μm2，在2.6 μm 波長(zhǎng)處的傳輸損耗為1.87 dB/cm。這種方法可以制備厚度較大的硫化物玻璃薄膜，但對(duì)溶解的過程與溶液儲(chǔ)存條件要求嚴(yán)格，同時(shí)容易造成有機(jī)溶劑殘留、薄膜平整度相對(duì)較差等問題［57，61］，因此這種工藝還需要進(jìn)一步的摸索與改善。

圖1 不同工藝方法制備的集成硫化物玻璃光子器件Fig.1 Integrated chalcogenide glass photonic devices fabricated by different methods

利用硫化物玻璃加熱軟化的特性，集成硫化物玻璃器件還可以采用壓印法制備［62-65］。在合適的溫度下，將制備有圖案的壓印模板壓在硫化物玻璃薄膜上并施加一定壓強(qiáng)，即可將模板上的圖案轉(zhuǎn)移到硫化物玻璃薄膜上。2010 年HAN Ting 等利用PDMS 作為壓印模板，使用熱壓印法實(shí)現(xiàn)了低損耗As24S38Se38波導(dǎo)的制備［62］，波導(dǎo)尺寸為3.3 μm×1 μm，其準(zhǔn)TM 模式與準(zhǔn)TE 模式的傳輸損耗分別為0.26 dB/cm 與0.27 dB/cm。2014 年ZOU Yi 等使用溶液旋涂法制備了As2Se3薄膜，并利用熱壓印制備出了圖1（h）所示的As2Se3波導(dǎo)與微環(huán)器件［63］，其中微環(huán)樣品在1 520 nm 波段的內(nèi)稟Q值為80 000，對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)傳輸損耗約為6 dB/cm。同年該研究組又利用熱壓印在二氧化硅襯底上制備了高質(zhì)量的As20Se80微環(huán)樣品，其內(nèi)稟Q值達(dá)到390 000。同時(shí)，他們也在柔性聚合物襯底（PA，聚酰胺）上利用熱壓印制備了As20Se80微環(huán)樣品，微環(huán)內(nèi)稟Q值為110 000［66］。

此外，由于硫化物玻璃具有獨(dú)特的光致效應(yīng)，可以使用特定波長(zhǎng)的光對(duì)硫化物玻璃薄膜進(jìn)行照射，使其發(fā)生光致暗化效應(yīng)并引起折射率的變化，從而形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)［67-68］。這種方法雖然工藝簡(jiǎn)單，但是光致暗化效應(yīng)引起的折射率變化較小，難以實(shí)現(xiàn)具有小模場(chǎng)面積的器件。而且利用光致效應(yīng)制備的硫化物玻璃器件并不穩(wěn)定，在受熱或強(qiáng)光照射等條件下可能發(fā)生退化［4］，導(dǎo)致其應(yīng)用場(chǎng)景受限。

3 熱熔融自回流方法制備硫化物玻璃波導(dǎo)

目前，硫化物玻璃集成光學(xué)器件的主流制備工藝是刻蝕法和抬離法。這兩種方法都需要在大面積沉積高質(zhì)量硫化物玻璃薄膜的基礎(chǔ)上，設(shè)法去除大部分硫化物玻璃材料，僅保留硫化物玻璃波導(dǎo)芯區(qū)部分。由于硫化物玻璃特殊的材料特性，材料去除的工藝過程往往不易控制，使得硫化物玻璃集成光學(xué)器件難以制備。為此，希望發(fā)展出可保留完整硫化物玻璃薄膜的集成光學(xué)器件制備工藝，面向集成非線性光學(xué)應(yīng)用制備出高質(zhì)量硫化物玻璃波導(dǎo)。在先期嘗試中，本課題組提出了一種表面導(dǎo)引的硫化物玻璃波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和制備出的波導(dǎo)樣品如圖2 所示［69］。首先在硅襯底上旋涂SU-8 光刻膠，經(jīng)過紫外曝光固化形成下包層。之后利用熱蒸發(fā)工藝沉積硫化砷玻璃薄膜并進(jìn)行真空加熱退火。在硫化砷玻璃薄膜上再次旋涂SU-8光刻膠并進(jìn)行紫外光刻，制備出上層的SU-8 膠導(dǎo)引結(jié)構(gòu)。圖2（b）與2（c）分別為制備出的表面導(dǎo)引硫化砷玻璃波導(dǎo)樣品的顯微鏡照片與截面電鏡照片，波導(dǎo)寬度約為2 μm。對(duì)波導(dǎo)樣品進(jìn)行通光測(cè)試，得到準(zhǔn)TE 模式的傳輸損耗約為0.4 dB/cm，并且波導(dǎo)具有單偏振傳輸特性（如圖2（d）所示）。這種波導(dǎo)避免了傳統(tǒng)制備工藝中對(duì)硫化砷玻璃薄膜的圖形轉(zhuǎn)移與刻蝕，并且制備工藝簡(jiǎn)單。但這種方法制備的波導(dǎo)橫向的光場(chǎng)限制比較弱，不易制備適合非線性光學(xué)應(yīng)用的具有小模場(chǎng)面積的波導(dǎo)。

圖2 表面導(dǎo)引硫化砷玻璃波導(dǎo)［69］Fig.2 Chalcogenide glass waveguides with low-index strips on the surface of As2S3 glass film［69］

為了方便地制備出小模場(chǎng)面積的硫化物玻璃波導(dǎo)，本課題組利用硫化物玻璃達(dá)到熔融狀態(tài)所需溫度較低并且熔融狀態(tài)下流動(dòng)性好的特點(diǎn)發(fā)展出一種硫化物玻璃波導(dǎo)制備新方法［12］，其工藝流程如圖3。首先在襯底上使用紫外光刻或電子束光刻與刻蝕工藝制備出凹槽結(jié)構(gòu)，并在刻有凹槽的襯底上利用熱蒸發(fā)法沉積一層硫化物玻璃薄膜。之后在氮?dú)猸h(huán)境下對(duì)芯片進(jìn)行加熱，此時(shí)硫化物玻璃薄膜達(dá)到熔融狀態(tài)，并自發(fā)回流到凹槽之中，從而形成平整的上表面，構(gòu)成倒脊型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。這種方法僅在襯底上進(jìn)行光刻、刻蝕等工藝來制備器件圖案，保持了硫化物玻璃薄膜的完整性，避免了制備工藝對(duì)于硫化物玻璃薄膜的損傷。將這種利用玻璃材料熔融狀態(tài)的流動(dòng)性，通過加熱使玻璃材料回流填充襯底上凹槽或其他微結(jié)構(gòu)的工藝方法稱為熱熔融自回流方法。

圖3 基于熱熔融自回流的倒脊型硫化砷玻璃波導(dǎo)的制備工藝流程Fig.3 Fabrication process of chalcogenide glass waveguides by hot melt smoothing and micro-trench filling

利用這種工藝實(shí)現(xiàn)了硫化物玻璃波導(dǎo)和微環(huán)諧振腔樣品的制備。實(shí)驗(yàn)中使用的硫化物玻璃材料為As2S7，使用的襯底為硅上二氧化硅（silica on silicon）。利用紫外曝光與緩沖氫氟酸濕法刻蝕制備二氧化硅凹槽，再進(jìn)行As2S7玻璃薄膜的熱蒸發(fā)與加熱自回流工藝，得到的波導(dǎo)樣品橫截面電子顯微鏡照片如圖4（a）［12］。波導(dǎo)樣品截面尺寸為5 μm×1 μm，通過截?cái)喾y(cè)得波導(dǎo)準(zhǔn)TE 模式的傳輸損耗約為0.1 dB/cm。為了制備具有小模場(chǎng)面積的硫化物玻璃波導(dǎo)，進(jìn)一步利用電子束曝光與ICP 干法刻蝕代替紫外曝光與濕法刻蝕，制備尺寸更小的波導(dǎo)樣品，其橫截面電子顯微鏡照片如圖4（b）［13］。樣品的截面尺寸為910 nm×690 nm，測(cè)試得到準(zhǔn)TE 模式傳輸損耗約為0.74 dB/cm。進(jìn)一步設(shè)計(jì)并制備了倒脊型硫化砷玻璃微環(huán)諧振腔樣品，微環(huán)與一條直波導(dǎo)耦合，半徑為150 μm，微環(huán)和直波導(dǎo)的波導(dǎo)寬度均為1 μm。圖4（c）給出了微環(huán)樣品的顯微鏡照片。測(cè)試了微環(huán)與波導(dǎo)耦合的樣品的傳輸譜，結(jié)果如圖4（d）。結(jié)果表明該微環(huán)諧振腔樣品的諧振峰Q值約為180 000，消光比為17 dB，對(duì)應(yīng)的微環(huán)腔內(nèi)波導(dǎo)傳輸損耗約為1.1 dB/cm。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了利用熱熔融自回流方法制備的倒脊型硫化砷玻璃器件具有良好的傳輸特性。

圖4 利用熱熔融自回流方法制備的倒脊型As2S7玻璃波導(dǎo)與微環(huán)諧振腔Fig.4 As2S7 waveguide and microring samples fabricated by hot melt smoothing and micro-trench filling method

4 硫化物玻璃波導(dǎo)非線性光學(xué)特性

4.1 三階非線性光學(xué)特性

通過激勵(lì)并測(cè)試波導(dǎo)中的受激四波混頻現(xiàn)象驗(yàn)證采用熱熔融自回流方法制備的倒脊型硫化砷玻璃波導(dǎo)的三階非線性光學(xué)特性［13］，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5（a）?？烧{(diào)諧激光器產(chǎn)生的泵浦光（頻率為ωp）經(jīng)過摻鉺光纖放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）進(jìn)行放大，并通過密集波分復(fù)用器（Dense Wavelength Division Multiplexer，DWDM）濾除EDFA 中產(chǎn)生的放大器自發(fā)輻射噪聲（Amplified Spontaneous Emission，ASE）。經(jīng)過濾波后的泵浦光與由另一個(gè)可調(diào)諧激光器產(chǎn)生的低功率信號(hào)光（頻率為ωs）合束，之后通過拉錐光纖從端面耦合到波導(dǎo)樣品中激勵(lì)受激四波混頻。信號(hào)光在波導(dǎo)中受到四波混頻提供的增益放大，同時(shí)在頻率ωi= 2ωp-ωs處產(chǎn)生閑頻光。從波導(dǎo)輸出的光通過拉錐光纖耦合到光功率計(jì)（Optical Power Meter，OPM）與光譜儀（Optical Spectrum Analyzer，OSA）中，并通過光譜儀測(cè)量不同頻率分量的光功率。實(shí)驗(yàn)中首先固定泵浦光頻率，調(diào)節(jié)信號(hào)光頻率測(cè)量不同頻率失諧量下的四波混頻轉(zhuǎn)換效率。測(cè)試結(jié)果如圖5（b），可以得到波導(dǎo)中四波混頻的單邊3 dB 帶寬約為2.5 THz。進(jìn)一步將泵浦光與信號(hào)光的失諧量固定在0.38 THz 處，測(cè)試不同泵浦光功率下波導(dǎo)中的四波混頻轉(zhuǎn)換效率，由此估計(jì)波導(dǎo)的三階非線性系數(shù)。測(cè)試結(jié)果如圖5（c）。通過在dB 坐標(biāo)下對(duì)四波混頻轉(zhuǎn)換效率與泵浦光功率之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，可以得到波導(dǎo)的三階非線性系數(shù)。擬合結(jié)果如圖5（c）中的紅色虛線所示，由此計(jì)算出波導(dǎo)樣品的三階非線性系數(shù)約為γ=14.1 W-1m-1。這一結(jié)果與利用傳統(tǒng)方法制備的高質(zhì)量硫化砷玻璃波導(dǎo)［33，70-71］相當(dāng)，證明了采用熱熔融自回流方法制備的倒脊型硫化砷玻璃波導(dǎo)樣品具有良好的三階非線性光學(xué)特性。

圖5 硫化物玻璃波導(dǎo)樣品中三階非線性系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量［13］Fig.5 Experimental measurement of the third order nonlinear coefficient of the chalcogenide glass waveguides［13］

4.2 受激布里淵散射特性

硫化物玻璃具有較高的折射率與較低的聲速，因此可以同時(shí)限制光學(xué)模式與聲學(xué)模式，使其成為實(shí)現(xiàn)集成布里淵功能器件的理想材料之一［9，72］。2011 年P(guān)ANT R 等首次在片上As2S3脊波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了受激布里淵散射的探測(cè)［36］，使用的波導(dǎo)尺寸為4 μm×850 nm，測(cè)得布里淵頻移約為7.7 GHz，布里淵增益系數(shù)為0.715×10-9m/W。之后他們又進(jìn)一步利用集成硫化砷玻璃波導(dǎo)中的布里淵散射進(jìn)行了多種應(yīng)用研究。2012 年P(guān)OULTON C G 在經(jīng)過色散調(diào)控的As2S3脊波導(dǎo)中利用受激布里淵散射實(shí)現(xiàn)了寬帶的片上隔離功能，在25 nm 的帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了20 dB 的隔離度［73］。同年該研究組利用As2S3脊波導(dǎo)中的受激布里淵散射實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)可調(diào)的窄帶片上微波光子濾波器［74］與可調(diào)慢光快光功能［75］。2013 年KABAKOVA I V 在增益介質(zhì)為長(zhǎng)度7 cm 的As2S3脊波導(dǎo)的環(huán)腔中實(shí)現(xiàn)了布里淵激射［76］，其線寬為100 kHz，激射閾值為360 mW。2016 年JIANG Hengyun 利用As2S3脊波導(dǎo)中的布里淵散射實(shí)現(xiàn)了高精度大范圍的微波信號(hào)頻率測(cè)量功能［77］，測(cè)量頻率上限可達(dá)38 GHz，測(cè)量誤差小于1 MHz。2017 年MERKLEIN M 利用As2S3脊波導(dǎo)中的布里淵散射將光脈沖所攜帶的信息轉(zhuǎn)移到聲波中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了相干光存儲(chǔ)與讀取功能［78］。

為了驗(yàn)證利用熱熔融自回流方法制備的倒脊型硫化砷玻璃波導(dǎo)在實(shí)現(xiàn)集成布里淵功能器件方面的應(yīng)用潛力，采用泵浦-探測(cè)法（pump-probe）對(duì)其背向受激布里淵散射特性進(jìn)行了測(cè)試［13］。測(cè)試系統(tǒng)如圖6（a）?？烧{(diào)諧激光器1 產(chǎn)生一束窄線寬連續(xù)波泵浦光，經(jīng)過EDFA 放大后通過環(huán)形器C1 輸入到波導(dǎo)a 端口。激光器2 產(chǎn)生一束窄線寬連續(xù)波探測(cè)光，從b 端口輸入到波導(dǎo)樣品中。如果探測(cè)光的頻率比泵浦光低且兩者之間的頻差在布里淵頻移附近，波導(dǎo)中會(huì)發(fā)生受激布里淵散射，使探測(cè)光得到放大。放大后的探測(cè)光從波導(dǎo)的a 端口輸出，與經(jīng)過波導(dǎo)端面反射的泵浦光共同耦合到環(huán)形器中。之后使用窄帶濾波器濾除其中的泵浦光分量，只保留波導(dǎo)輸出的探測(cè)光，并將其與激光器1 產(chǎn)生的泵浦光做外差探測(cè)，利用光電探測(cè)器（Photodetector，PD）與頻譜分析儀（Electrical Spectrum Analyzer，ESA）測(cè)量差頻信號(hào)的頻率與功率，可得到從波導(dǎo)中輸出的探測(cè)光功率。

圖6 硫化物玻璃波導(dǎo)樣品中受激布里淵散射特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量［13］Fig.6 Experimental measurement of stimulated Brillouin scattering properties of chalcogenide glass waveguides［13］

實(shí)驗(yàn)中首先固定泵浦光頻率，對(duì)探測(cè)光頻率進(jìn)行掃描，測(cè)量不同頻差下電譜儀探測(cè)到的差頻信號(hào)功率，即可得到波導(dǎo)樣品的布里淵增益譜，如圖6（b）。其中虛線是測(cè)試數(shù)據(jù)的洛倫茲線型擬合結(jié)果，表明波導(dǎo)樣品的布里淵頻移為6.25 GHz，布里淵增益峰線寬為156 MHz，比以往報(bào)道的硫化物玻璃波導(dǎo)布里淵增益譜線寬［36］略大。進(jìn)一步對(duì)不同泵浦功率下探測(cè)光的最大開關(guān)增益進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如圖6（c）。通過線性擬合可以得到波導(dǎo)樣品的布里淵增益系數(shù)約為GB= 377 W-1·m-1，與以往報(bào)道的高質(zhì)量硫化物玻璃波導(dǎo)樣品［76，79］的布里淵增益系數(shù)相當(dāng)，驗(yàn)證了熱熔融自回流工藝制備的倒脊型硫化砷玻璃波導(dǎo)樣品具有良好的受激布里淵散射特性。

5 總結(jié)與展望

硫化物玻璃良好的非線性光學(xué)特性使得它適合發(fā)展非線性集成光學(xué)器件。然而，特殊的理化特性使得硫化物玻璃波導(dǎo)的制備成為研究的難點(diǎn)。本文對(duì)硫化物玻璃波導(dǎo)的制備工藝進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)介紹了本課題組利用硫化物玻璃在熔融狀態(tài)下流動(dòng)性好的特點(diǎn)，采用熱熔融自回流方法制備硫化物玻璃波導(dǎo)的工藝。這種方法制備的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由襯底材料上刻蝕的微凹槽決定，工藝上避免了對(duì)硫化物玻璃薄膜完整性的破壞，以及光刻膠顯影液對(duì)硫化物玻璃材料的腐蝕作用，可以得到高質(zhì)量的倒脊型硫化物玻璃波導(dǎo)。通過合理設(shè)計(jì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和精確的工藝控制，采用這種方法可以實(shí)現(xiàn)具有小模場(chǎng)面積的硫化物玻璃波導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，采用熱熔融自回流方法制備的硫化物玻璃波導(dǎo)具有良好的三階非線性光學(xué)特性和受激布里淵特性。因此，熱熔融自回流方法為發(fā)展硫化物玻璃非線性集成光學(xué)器件及其片上系統(tǒng)提供了簡(jiǎn)單易行的波導(dǎo)器件制備工藝手段。

對(duì)于熱熔融自回流方法及其制備的集成光波導(dǎo)器件的非線性光學(xué)應(yīng)用，提出如下兩點(diǎn)展望：

硫化物玻璃波導(dǎo)具有良好的三階非線性光學(xué)效應(yīng)，在受激四波混頻和超連續(xù)譜產(chǎn)生等非線性光學(xué)應(yīng)用中有重要應(yīng)用前景。這類應(yīng)用中需要參與非線性光學(xué)過程的光波滿足一定的相位匹配條件，往往需要硫化物玻璃波導(dǎo)在相應(yīng)波段具有近零色散的特性［7，80-83］。然而，以硫化砷為代表的硫化物玻璃色散零點(diǎn)一般位于中紅外波段，在近紅外波段普遍具有大的負(fù)色散［80］。因此，發(fā)展適合三階光學(xué)非線性應(yīng)用的硫化物玻璃波導(dǎo)的關(guān)鍵問題之一是如何實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)色散調(diào)控。熱熔融自回流方法制備硫化物玻璃波導(dǎo)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由在襯底上制備的凹槽結(jié)構(gòu)決定。理論工作表明，通過合理地設(shè)計(jì)襯底凹槽結(jié)構(gòu)，可以有效地調(diào)控制備出的硫化物玻璃波導(dǎo)的色散特性，實(shí)現(xiàn)有多個(gè)色散零點(diǎn)的寬帶平坦近零色散［84］。如何充分利用熱熔融自回流方法的靈活性發(fā)展針對(duì)不同三階非線性光學(xué)應(yīng)用的硫化物玻璃波導(dǎo)，是利用這一技術(shù)發(fā)展實(shí)用化非線性集成光學(xué)器件的重要方向。

另一方面，一些硫化物玻璃同時(shí)具有較高的折射率與較低的聲速［9］。采用二氧化硅玻璃襯底通過熱熔融自回流方法制備的硫化物玻璃波導(dǎo)，可以實(shí)現(xiàn)光波與聲波在波導(dǎo)中的同時(shí)限制，產(chǎn)生高效的光聲相互作用。實(shí)驗(yàn)也已經(jīng)表明這種方法制備的硫化物玻璃波導(dǎo)具有良好的受激布里淵散射特性［13］。進(jìn)一步的，這一聲波和光波同時(shí)限制的思路可以拓展到光聲晶體［38］（Optomechanical Crystal，OMC）微腔的研究。目前光聲晶體微腔系統(tǒng)主要基于絕緣體上硅（Silicon on Insulator，SOI）襯底制備而成，但由于材料特性的限制，硅基光聲晶體微腔需要制備懸空結(jié)構(gòu)［85-87］以同時(shí)限制光學(xué)模式與聲學(xué)模式。理論工作表明，采用硫化砷玻璃作為高折射率材料在二氧化硅襯底上制備的納米臂型一維光子晶體微腔，有可能同時(shí)支持局域的聲學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)非懸空的光聲晶體微腔［88］。這種新型非懸空硫化砷玻璃光聲晶體微腔可以通過二氧化硅玻璃包層直接實(shí)現(xiàn)聲學(xué)耦合功能，有望簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)多腔耦合的復(fù)雜光聲相互作用系統(tǒng)。采用熱熔融自回流方法發(fā)展這種非懸空光聲晶體微腔的制備技術(shù)將為相關(guān)研究提供有力的器件工藝支持。