硅除了在1.5 μm左右的通信波段具有众所周知的光电子能力、以及绝缘体上硅（SOI）形式在2.5 μm波段的功能性外，目前它又进入了一个新的前沿领域：蓝宝石上硅（SOS）纳米线已被用于展示从1.9 μm到6 μm以上、倍频程中红外（mid-IR）超连续谱的产生。
这种宽带超连续谱光源通过互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺实现，是澳大利亚悉尼大学光学系统超高带宽设备中心(CUDOS)、麦考瑞大学和Silanna Semiconductor公司、澳大利亚国立大学CUDOS激光物理中心、法国国家科学研究中心Institut des Nanotechnologies de Lyon以及澳大利亚皇家墨尔本理工大学的研究人员的合作成果。该研究团队表示，这种中红外超连续光源是“迄今为止在任何硅平台上产生的光谱最宽、波长最长的光源。”
紧凑型廉价中红外光源正变得越来越重要，尤其是在十亿分之一（ppb）甚至万亿分之一量级的分子传感应用中。虽然使用硫系玻璃光纤已经展示了达到13 μm的超连续谱产生，但是与CMOS兼容的SOS平台提供可扩展性，并有望实现新型非线性集成（具有成本效益）的硅器件，例如这些工作于远远超出传统硅窗口的中红外超连续谱光源。
超连续谱SOS
首个SOS波导于2010年制成，其在4.5 μm处的损耗为4.3 dB/cm。为了避免通常在2.5 μm以上波段硅中产生的更高的多光子吸收，研究人员设计了SOS纳米线，在2.4 μm×0.48 μm的纳米线上使泵浦波长的色散和光学损耗最小化。通过采用化学氧化和氧化物退除的方法处理纳米线，以降低表面粗糙度，同时使用相对较宽的纳米线来提升模式约束，将4 μm处的传输损耗最小化到1.0±0.3 dB/cm的水平。
为了产生超连续谱，将可调谐光参量放大器（OPA）输出的波长3.7 μm、脉宽320 fs、重复频率20 MHz的光束输入至纳米线的TE模，准直后传送至单色仪，利用1.5~4.8 μm的硒化铅（PbSe）和4~6.5 μm的碲镉汞（MCT）两种探测器进行探测。对于峰值功率在200 W~2.5 kW之间的耦合输入，输入功率为1.82 kW时，最宽的连续输出光谱（-30dB带宽）跨越了从1.9~5.5 μm的1.53个倍频程。甚至在远高于-45 dB的本底噪声水平上，产生的光波长超过6 μm（见图1）。
图1：基于蓝宝石上硅（SOS）的超连续光源的功率输出，输入功率水平在200 W~2.5 kW之间。
为了在更宽的带宽内获得更平坦的色散轮廓，可以构造基于SOS的柱状波导。此外，预计通过减少硅/蓝宝石界面的晶格失配，可以改进SOS纳米线的外延生长，从而最小化近红外损耗。研究人员表示，这些改进将有可能使用单根纳米线，在硅的整个透明光谱区域内展示超连续谱产生。
“蓝宝石上硅平台为在单个设备上集成电子和光子学铺平了道路，”悉尼大学CUDOS 的Neetesh Singh说，“这将促成从近红外到中红外范围的电致可调谐、芯片上、线性和非线性超宽光学操作。”
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