短波中紅外硅基光子學(xué)的發(fā)展歷程

短波中紅外光學(xué)（2~2.5μm）在通信測距、衛(wèi)星遙感、疾病診斷、軍事國防等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。作為短波中紅外光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部件，集成光電器件的開發(fā)一直都是重點的研究領(lǐng)域。同時隨著波長的增加，光學(xué)器件對加工工藝的最小尺寸、設(shè)計容差、加工精度等要求還將進(jìn)一步降低，短波中紅外有望實現(xiàn)更低的器件開發(fā)成本。得益于硅基材料超寬的光譜透明窗口，其在開發(fā)短波中紅外集成光電子器件方面極具發(fā)展前景，近年來獲得了廣泛的關(guān)注。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，天津大學(xué)光電信息技術(shù)教育部重點實驗室程振洲教授、華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心余宇教授和深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院王佳琦助理教授共同合作在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“短波中紅外硅基光子學(xué)進(jìn)展”為主題的綜述文章。通訊作者（導(dǎo)師）程振洲教授主要從事硅基光子學(xué)方面的研究工作，余宇教授主要從事光電子集成器件、光通信方面的研究工作，王佳琦助理教授主要從事硅基光子學(xué)和光纖傳感器方面的研究。

這項研究簡要回顧了短波中紅外硅基光子學(xué)的發(fā)展歷程，從無源波導(dǎo)器件（包括波導(dǎo)、光柵耦合器、微型諧振腔、復(fù)用/解復(fù)用器等）、非線性光學(xué)波導(dǎo)器件和光電波導(dǎo)器件（包括調(diào)制器和探測器等）三方面綜述了短波中紅外硅基光子學(xué)的發(fā)展歷史和前沿進(jìn)展。

短波中紅外波段硅基微型諧振腔器件

無源波導(dǎo)器件是硅基光子學(xué)的基石，多種類型的短波中紅外硅基光學(xué)器件包括波導(dǎo)、光柵耦合器、微型諧振腔、復(fù)用/解復(fù)用器件等。器件結(jié)構(gòu)和性能的改進(jìn)為實現(xiàn)低成本、高密度、多功能的短波中紅外光電器件片上集成奠定了基礎(chǔ)，有望惠及光通信、光互連、光學(xué)傳感和非線性光學(xué)等多個領(lǐng)域。

硅基材料具有高折射率（~3.45@2μm波長）和高克爾非線性系數(shù)（~1.1×10?17m2/W@2μm波長）的特點，并且在短波中紅外波段的雙光子吸收系數(shù)較低，因此，在短波中紅外非線性光學(xué)器件的研發(fā)和應(yīng)用方面潛力巨大。目前，多種非線性光學(xué)效應(yīng)已經(jīng)在短波中紅外硅基器件中被研究探索，并用于研發(fā)新型的片上中紅外光源，包括四波混頻（FWM）、光參量放大（OPA）、光參量振蕩（OPO）、超連續(xù)譜產(chǎn)生（SCG）和克爾光頻梳（KFC）等。

短波中紅外波段非線性光學(xué)波導(dǎo)器件

短波中紅外光電器件（包括調(diào)制器、探測器等）是實現(xiàn)通信、傳感、測距等應(yīng)用的關(guān)鍵核心組成部分，硅基光子學(xué)為開發(fā)調(diào)制器件和探測器件提供了極具發(fā)展前景的光電集成平臺，近年來受到越來越多研究者的關(guān)注。該研究針對工作在2~2.5μm波段的硅基波導(dǎo)集成的電光調(diào)制器、熱光調(diào)制器和光電探測器的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述和討論。

短波中紅外波段波導(dǎo)集成的光電器件

得益于硅基材料在短波中紅外波段的高透明度、高光學(xué)非線性和成熟的CMOS制作工藝等優(yōu)勢，硅基光子技術(shù)有望為實現(xiàn)低成本、大規(guī)模單片光電子集成應(yīng)用提供一種極具前景的解決方案。

未來通過開展新型紅外光電材料的片上異質(zhì)集成、采用亞波長結(jié)構(gòu)調(diào)控片上光場特性、改進(jìn)微納加工技術(shù)降低波導(dǎo)器件光學(xué)損耗等方面的研究，短波中紅外硅基光子學(xué)器件和系統(tǒng)的性能有望得到進(jìn)一步提升：（1）新型的低維材料（例如，石墨烯、黑磷、二硒化鈀等）在中紅外波段展現(xiàn)了出色的光電特性。開展低維材料/硅基波導(dǎo)異質(zhì)集成的光電探測器件和電光調(diào)制器件將是一個極具發(fā)展前景的方向。（2）基于超表面和逆向設(shè)計的方法開發(fā)波導(dǎo)集成的短波中紅外器件有望得到快速發(fā)展。（3）不斷改進(jìn)的CMOS工藝與以量子理論為基礎(chǔ)的原子及近原子尺度制造技術(shù)的結(jié)合，有望深度融合短波中紅外片上光譜檢測與納米材料、凝聚態(tài)物理、化工等多交叉學(xué)科領(lǐng)域，實現(xiàn)顛覆性的重大創(chuàng)新應(yīng)用。

該項目獲得國家自然科學(xué)基金（62175179，62161160335，61805164，61805175）的支持。該研究第一作者為天津大學(xué)光電信息技術(shù)教育部重點實驗室碩士生賀祺，主要從事硅基光子學(xué)方面的研究工作。

審核編輯 ：李倩