Thin-film chalcogenide glass waveguide for medium infrared range

Research Progress of Chalcogenide Glass Based Micro-Nano Photonic Devices

“…微纳光子器件得到了广泛应用。目前硅基和石英基材料广泛用于制备微纳光子器件， 这两类材料的微纳光 子 器 件 能 与 标 准 单 模 光 纤 很 好 地 实 现 模 式 匹 配 ， 并 且 耦 合 损 耗 较 低 。 但 是 石 英 材 料 红 外 截 止 波 长 较 短(最 长透过波长约 3.5 mm)， 在极为重要的大气透明第二窗口(3~5 mm 波段， 该波段包含了许多重要的分子特征 谱线)和第三窗口(8~12 mm 波段)， 石英材料无法导光， 而且硅基和石英基受到本身低非线性特性的限制 [3] ， 在非线性应用上也受到了限制。 硫系玻璃是以 S， Se， Te 中的一种或几种元素与其他电负性较弱的元素(As， Sb， Ge 和 Si 等)相结合形成 共价键的无机玻璃 [4] ， 而且 S， Se， Te 可与其他元素形成化学计量或非化学计量组成的玻璃， 使玻璃的组分可调， 性能更具有优势。与硅材料和石英材料相比较， 硫系玻璃具有优良的中远红外透过性能 (依据组成不同， 其透 过范围可从 0.5~1 mm 到 12~25 mm) ， 极高的折射率 (2~3.5) ， 极高的非线性折射率 n 2 ( n 2 =2~20×10 -18 m 2 /W， 是 石英材料的 100~1000 倍 [5][6] )， 较小的双光子吸收系数 α 2 (0.01~1×10 -12 m/W [3] )和超快的非线性响应(响应时 间小于 200 fs， 其中光克尔效应小于 50 fs， 拉曼散射小于 100 fs [7] )。优良的中远红外透过性能可以使硫系玻 璃 用 于 制 成 近 中 红 外 低 阈 值 激 光 器 和 放 大 器、 中 红 外 生 物 与 化 学 传 感 器 等 微 纳 器 件 ； 极 高 的 非 线 性 折 射 率 和微纳器件极小的体积， 使得硫系玻璃微纳光子器件更容易产生超连续谱和受激拉曼激光 [8][9][10][11] 。优良的非线 性 特 性 也 使 硫 系 玻 璃 可 用 于 波 导 光 栅 ， 全 光 再 生 器 和 波 长 转 换 器 等 微 纳 器 件 ， 进 一 步 提 高 这 些 器 件 的 性 能。以上诸多的硫系玻璃微纳光子器件可广泛用于生物传感， 新光源产生和全光网络等前沿研究领域。 因 此 硫 系 微 纳 光 子 器 件 近 年 来 受 到 国 际 上 众 多 知 名 光 电 子 研 究 机 构 的 关 注， 英 国 南 安 普 顿 大 学 、 美 国 麻 省 理 工 学 院 、 澳 大 利 亚 国 立 大 学 、 悉 尼 大 学 等 科 研 机 构 均 已 经 展 开 对 此 种 器 件 的 研 究 工 作 。 本 文 将 以 硫 系 微 纳 光纤、 光波导和回音壁微腔这三类器件为重点， 从研究历程、 研究重点和应用三个方面总结硫系微纳光子器 件的研究现状， 并对其未来的发展进行展望。 2 研究历程 在多种硫系微纳光子器件中， 波导器件的研究开展较早。20 世纪 70 年代研究人员就成功在铌酸锂晶体 衬底 [12] 和氟化钡晶体衬底 [13] 上沉积出了厚度为微米和亚微米级别的硫系波导， 随着 20 世纪末光纤通信的迅 速发展， 硫系波导才得到重视。1999 年， 加拿大拉瓦尔大学的 Viens 等 [14] 首次报道利用光刻和湿刻对热蒸发…”

Hot-embossing fabrication of chalcogenide glasses rib waveguide for mid-infrared molecular sensing

“…[6,7] The development of chalcogenide waveguide firstly dated back to the early 1970s. Bessonov et al [8] reported a chalcogenide waveguide fabricated in the form of a thin As-Se chalcogenide glass film on a barium fluoride singlecrystal substrate and the attenuation coefficient measured to be 3 dB/cm for the dominant TE mode. With the further development of the fabrication techniques, Viens et al [9] reported amorphous multilayer As 24 S 38 Se 38 /As 2 S 3 thin film deposited on a silicon wafer by conventional thermal evaporation and photolithography followed by chemical wet etching.…”