SiC通道波导中有效中红外超连续谱产生的数值分析

《Next Research》：Numerical Analysis of Effective Mid-Infrared Supercontinuum Generation in SiC Channel Waveguides

硅基通道波导中红外超连续谱生成研究：采用10毫米长硅 carbide（SiC）核心，对比硅氧化物（SiO?）、氟化镁（MgF?）和铌酸锂（LiNbO?）两种包层结构，数值模拟表明LiNbO?包层在3.1 μm泵浦波长下，5000 W峰值功率实现-40 dB以上6 μm超宽中红外连续谱，光谱相干性显著提升，适用于生物成像、光学相干断层扫描等领域。

　　
硅 carbide波导中红外超连续谱生成研究及性能分析

（引言部分）
中红外超连续谱生成技术作为非线性光学领域的核心课题，在生物医学成像、高分辨率光谱分析及量子光学器件等前沿领域具有重要应用价值。传统研究多聚焦于砷化镓硒（As2Se3）、锗砷硒（GeAsSe）等材料体系，或是硅基光子学平台。本文创新性地采用10毫米长硅 carbide（SiC）芯波导，通过系统优化包层材料与泵浦参数，实现了覆盖6微米波段且功率谱下降不超过40dB的超连续谱输出，为集成化中红外光源提供了新思路。

（材料特性对比）
研究团队通过对比分析发现，硅 carbide材料兼具宽透明窗口（0.37-5.6μm）、高非线性响应（3.2eV带隙）、优异机械性能（莫氏硬度9.5）等综合优势。相较于传统材料体系，其非线性系数（β2=7.3×10-27 m2/W）较硅基材料提升约2个数量级，同时支持10μm以上的红外波段连续谱输出。特别值得关注的是，LiNbO3包层（折射率n=2.2）与SiC芯（n=3.1）形成显著折射率差（Δn=0.9），这种结构设计有效增强了光的 confinement 效应，使中红外波段的光功率损耗降低至0.3dB/cm级别。

（波导结构优化）
研究团队采用三明治式结构设计，在10毫米长的SiC芯两侧交替设置不同包层材料。通过调节芯层几何参数（宽度W0.8-2.5μm，高度H1.0-2.0μm）与泵浦波长（1.55μm和3.1μm双模态），系统优化了色散特性。重点发现：当泵浦波长从1.55μm提升至3.1μm时，波导有效折射率变化达15%，显著改善负色散区的覆盖范围。通过调节包层厚度（上下包层均为5μm）与折射率匹配度，成功将群速度色散系数（GVD）控制在-100ps/nm·cm至+50ps/nm·cm的宽泛区间，为超连续谱生成提供了理想的非线性相位匹配条件。

（包层材料性能对比）
三种包层材料的光学特性对比显示：SiO2包层（n=1.46，损耗4dB/m）在中红外波段（>2.5μm）存在显著吸收损耗；MgF2包层（n=1.38，损耗3.2dB/m）虽具有较低损耗，但折射率差（Δn=1.72）导致 confinement 效应不足；而LiNbO3包层（n=2.2，损耗0.8dB/m）凭借高折射率（Δn=0.9）和低损耗特性，在功率密度（5000W/cm2）和脉冲宽度（50fs）条件下，实现了功率谱密度均匀性提升30%，同时将中红外延伸波段扩展至6.8μm。

（非线性动力学机制）
研究团队通过非线性薛定谔方程（GNLSE）与光谱空间傅里叶变换（SSFM）结合的仿真方法，揭示了不同包层材料下的非线性动力学差异。在LiNbO3包层结构中，由于高阶非线性效应（三阶非线性系数γ3=1.2×10-21 m3/W2）的协同作用，泵浦脉冲在1-2微米波段发生首次谐波生成（THG），随后在2-6微米波段形成三阶色散平衡（TCD），这种多尺度非线性相互作用机制使得超连续谱在-40dB动态范围内实现了连续覆盖。相较之下，SiO2包层主要依赖Raman散射（散射长度L=3.2cm/GHz）实现波段扩展，但受限于材料损耗特性，难以有效激发高阶非线性效应。

（性能参数优化）
通过对比实验数据发现：当泵浦功率达到5000W时，LiNbO3包层结构在50fs脉冲宽度下，功率谱密度（PSD）在3-6μm波段仍保持>0.8W/nm的稳定输出。而SiO2包层在相同功率条件下，2-4μm波段PSD下降超过50dB。特别值得注意的是，采用3.1μm泵浦波长时，LiNbO3包层结构可将有效非线性长度（NPL）从常规的1.5cm提升至3.8cm，这主要归因于其高非线性系数（β2=4.1×10-26 m2/W）与优异的热稳定性（熔点2570℃）的协同作用。

（应用场景拓展）
该研究成果在多个应用场景中展现出独特优势：在生物医学成像方面，6μm波段覆盖视网膜与脉络膜的光学窗口（2-6μm），实现亚微米级分辨率成像；在气体检测中，4.2μm波段可选择性检测CO2和CH4混合气体；在量子光学领域，宽达6μm的超连续谱可同时支持多个量子态的制备。仿真数据显示，该波导结构在中红外波段（3-6μm）的相干长度达到23cm，满足高分辨率光谱仪的 coherence requirements。

（制造工艺突破）
研究团队提出的PLD-MoS2双沉积工艺，成功解决了SiC波导加工中的表面粗糙度（Ra<5nm）与晶格缺陷密度（<1×10?/cm2）问题。通过控制溅射气压（0.1-0.3Pa）与沉积速率（20nm/s），在10mm长度内实现了折射率渐变（Δn<0.02μm-1）的LiNbO3包层，这种梯度结构有效抑制了表面反射引起的模式耦合损耗（<3%）。此外，在SiC芯层采用低温结晶（<500℃）技术，既保持了高非线性响应（β2>6×10-27 m2/W），又确保了与CMOS工艺的兼容性。

（技术经济性分析）
从技术经济性角度评估，LiNbO3包层方案具有显著优势：单位长度（10mm）成本较传统As2Se3体系降低42%，同时将功率阈值从传统硅基波导的800W提升至5000W量级。更值得关注的是，该结构支持3.1μm泵浦光的直接利用，无需额外光学转换装置，使系统复杂度降低60%。测试数据显示，在连续工作模式（10^6次脉冲循环）下，波导结构的光学损伤阈值超过1500W/cm2，远超常规玻璃波导的500W/cm2极限。

（技术挑战与改进方向）
研究同时指出了现有方案的两个关键限制：首先，当泵浦功率超过6000W时，SiC芯层表面出现局部热应力集中（>800MPa），导致折射率波动超过±0.5%；其次，LiNbO3包层在>5μm波段的光吸收系数上升至0.25dB/cm。针对这些问题，后续研究建议采用梯度掺杂技术（掺杂浓度梯度<5%μm-1）改善热稳定性，并开发新型低损耗红外材料（如Al2O3-SiC复合材料）替代传统LiNbO3包层。

（产业化路径规划）
技术产业化路径规划显示，该波导结构在中红外光谱仪领域可实现成本效益比提升3倍以上。通过优化制造工艺，预计量产成本可控制在$1200/片（10mm长度）以内，满足商业级设备的需求。应用测试表明，在波长分辨率为0.1nm的光谱仪中，该超连续光源的信号信噪比达到82dB，较传统KrF激光源提升37dB。特别在环境监测领域，其宽频谱特性可同时检测CO、CH4和NOx类污染物，响应时间缩短至200ms级别。

（结论部分）
本研究通过系统化的波导设计、材料特性优化和制造工艺创新，首次实现了SiC芯-透明LiNbO3包层结构的宽带中红外超连续谱输出。在5000W峰值功率、50fs脉冲宽度、3.1μm泵浦波长条件下，成功获得6μm带宽、-40dB功率谱边沿的超连续光源。该成果突破了传统材料体系在功率容量与光谱覆盖方面的双重限制，为集成化中红外光子学系统提供了关键器件基础。后续研究将重点解决热稳定性与材料成本问题，推动该技术向实用化阶段迈进。

（研究展望）
团队计划在三个方向进行延伸研究：首先开发基于SiC-on-Si晶圆的标准化制造平台，目标将波导加工周期缩短至72小时；其次，探索新型泵浦源（如量子级联激光器）在SiC波导中的非线性响应机制；最后，尝试将该技术应用于太赫兹波段的超连续谱生成，通过引入多层异质结构实现7-1000GHz的连续波覆盖。这些技术突破有望使中红外光子学系统在成本、性能和集成度方面实现跨越式提升。