熱熔融自回流方法制備硫化物玻璃非線性集成光學(xué)波導(dǎo)

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。

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^-18 m²/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。

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］?？梢钥吹剑蚧椴ＡУ恼凵渎矢哂诙趸?，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。

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。

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

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。

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。

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

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。