舒浩文，蘇昭棠，王興軍，周治平

（北京大學區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家實驗室 北京100871）

1 中紅外波段下硅基光電子學的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)

根據(jù)紅外輻射在大氣層中的傳輸特性，紅外光譜通常分為近紅外（NIR）、中紅外（MIR）和遠紅外（FIR）。其中，中紅外光譜（2～20μm）由于譜帶靈敏性高、基頻振動強的特點，被廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、遙感技術等傳感應用中。

硅基光電子學是一種可以用硅基集成電路上的設施、經驗以及技術，設計、制造、封裝光器件和光電集成電路，在集成度、可制造性和擴展性方面達到集成電路的水平，從而在成本、功耗、尺寸上取得突破的一種技術。在近紅外波段，各個基于硅基光電子技術的通信器件都已經達到甚至超過了商用標準。

隨著硅基光電子技術的不斷發(fā)展，近年來，硅基光電子應用的波長范圍逐漸從傳統(tǒng)的通信波段延展至中紅外和遠紅外波段。雖然目前集成硅基光電子器件的關注點著重在近紅外數(shù)據(jù)通信應用中，但它在中紅外波段的應用潛力不容小視。簡單來說，將硅和其他IV族材料作為中紅外應用器件的基本材料有以下3點優(yōu)勢。

（1）硅基器件中紅外波段傳輸透明

硅材料在中紅外波段存在低損耗透射窗口，因此關于低損耗中紅外波段硅基波導實現(xiàn)的可能性成為近年來學術界熱議的話題。隨著大量實驗工作的成功開展，這種可能性正逐漸走向現(xiàn)實。Baehr-Jones小組[1]在2010年實現(xiàn)了藍寶石上硅波導4.5μm的TE單模傳輸。Miloevic等人[2]在2009年對3.4μm SOI波導的傳輸性能進行了大量的仿真。Soref在參考文獻[3]中報道了目前美國華盛頓大學和英國薩里大學的研究人員正在致力于Ge-strip-on-SOI異質結構的波導研究，其在中紅外波段也展現(xiàn)出良好的低損耗傳輸特性。圖1為硅基器件各種基本材料的傳輸光譜特性，其中白色框代表透明傳輸區(qū)域。

（2）硅和其他族光電子材料在中紅外波段具有很強的非線性效應

中紅外波段的非線性效應是硅基光電子亟待研究的應用領域。首先，相比于普通光纖，硅基微納波導的克爾系數(shù)要高出200倍，而拉曼增益系數(shù)更是高達3 000倍。其次，泵浦激光源的研究已經十分成熟，可以利用近紅外激光二極管泵浦二階和三階非線性光學器件。當選擇波長在合適范圍（硅材料大于2.1μm，鍺材料大于3.0μm）時，三階非線性光學器件可以避免雙光子吸收效應帶來的負面影響；并且當IV族材料波導芯層的帶隙變窄時，三階電極化系數(shù)X(3)1111會有顯著提升，其克爾效應也隨之提升。最后，二階非線性響應已經在許多有機聚合物和Ⅲ-Ⅴ/Ⅳ族復合材料中有良好應用。早在2007年UCLA（美國加利福尼亞大學洛杉磯分校）的Raghunathan小組[4]利用三階拉曼非線性增益在硅中實現(xiàn)了3.39μm波段的拉曼放大，泵浦光源為2.88μm，其最大增益為12 dB，首次證明了中紅外波段適合制作硅基光電子器件。2010年美國哥倫比亞大學和IBM研究所的研究人員[5]應用硅材料在2μm附近較大的X(3)1111系數(shù)實現(xiàn)了由2.17μm泵浦的SOI單模波導的四波混頻技術，從而設計出中紅外波段的光學參量放大器和光學參量振蕩器。同年Zlatanovic小組[31]利用四波混頻技術得到的2μm納米脈沖作為泵浦光，在硅基波導中實現(xiàn)了帶寬為630 nm的中紅外波長轉換。目前鍺材料的非線性應用還在研究中，它擁有硅材料4倍的三階電極化系數(shù)X(3)。此外，一旦利用量子級聯(lián)激光器實現(xiàn)大于3μm的高功率泵浦光源，將在3.5～5μm波段實現(xiàn)更高效的光參量放大器和光參量振蕩器。

（3）易于實現(xiàn)中紅外應用器件片上集成

硅基光電子在中紅外波段范圍有許多潛在的應用，如工業(yè)/軍事成像、光譜探測和傳感、紅外對抗、氣體嗅探等，如圖2所示。對于化學和生物傳感應用，硅基光電子學充分發(fā)揮硅基微電子先進成熟的工藝技術、高密度集成、價格低廉以及光子極高帶寬、超快傳輸速率和高抗干擾性的優(yōu)勢，使得片上集成傳感系統(tǒng)可以成為現(xiàn)實?？梢灶A見，CMOS兼容的中紅外非線性硅基器件將在不遠的未來實現(xiàn)單芯片集成。利用硅平臺制造非線性光電子器件可以實現(xiàn)一整套由片上激光泵浦、編碼、調制、非線性信號處理、片上探測和分析等組成的集成系統(tǒng)。

圖1 硅基器件各種基本材料的傳輸光譜特性

圖2 種類繁多的中紅外應用

雖然硅基光電子學在中紅外窗口的應用前景十分樂觀，但其發(fā)展過程中存在的挑戰(zhàn)也不容忽視。目前硅基光電子在中紅外窗口首要的限制就是缺乏真正意義上的集成。目前大多數(shù)的集成系統(tǒng)都是基于分立元件的“組裝”而不是一系列元件的無縫集成，芯片級的集成將給整個系統(tǒng)帶來高性能、低成本、小尺寸等質的提升。其次，集成無源和有源器件的芯片是否能在室溫下有良好的性能表現(xiàn)也是一個不小的挑戰(zhàn)。集成系統(tǒng)中不同元件對工作溫度的要求可能有所不同，當所有元件在同一室溫下工作時，芯片的整體性能會受到相應的影響。為了使整體系統(tǒng)發(fā)揮出最高效率，局部制冷方案是不可或缺的，這也是目前光電子集成系統(tǒng)的一大難題。再者，單片集成的激光源和放大器在Ⅳ族材料為基礎的光電子系統(tǒng)中依然是業(yè)界研究的難題。由于硅是間接帶隙半導體材料，載流子直接躍遷復合的效率很低，因此很難實現(xiàn)高效率的發(fā)光器件。目前的設想是采用發(fā)光效率較高的Ⅲ-Ⅴ族半導體材料（主要是GaAs、InP、GaN）與硅 基微納波導（主要是GeSn/SiGeSn多量子阱二極管和SiGeSn/GeSn/SiGeSn雙異質結構）通過倏逝波耦合的方式實現(xiàn)混合單片集成。此外，量子級聯(lián)激光器也為4～5μm波段激光的產生提供了解決辦法。

以上對硅基光電子器件在中紅外波段的應用優(yōu)勢和前景進行了分析，對其挑戰(zhàn)和不足之處進行了總結。下面將結合具體的基本結構和器件對硅基光電子學的中紅外應用進行介紹。

2 中紅外硅基波導

波導是硅基光電子學中一個基本的無源器件，是光信號的傳輸通道。通常，尺寸大小和傳輸損耗是評估一種特定波導的性能指標。傳輸損耗可以分成2個部分，即固有損耗（如載流子吸收）和外在損耗（如側壁散射和輻射到基底的損耗）。前者在基于摻雜的波導中為主要損耗，當波導尺寸相當?。ㄈ鏢OI波導）時，由于硅表面場強和界面粗糙，后者將起主要作用。在中紅外波段，波導主要有絕緣體上硅（SOI）、藍寶石上硅（SOS）、氮化硅上硅（SON）和SOI體上鍺（Ge/SOI）幾種類型。它們的低損耗傳輸波長閾值分別為SOI，3.7μm；SOS，4.4μm；SON，6.7μm；Ge/SOI，14.7μm。其中，SOI波導在1.1～2.5μm和2.9～3.6μm范圍擁有低于2 dB/cm的低傳輸損耗，在2.5～2.9μm波段損耗十分突出。

近年來，研究人員主要通過改進材料和結構來降低波導的損耗問題，下面將從這兩個方面介紹在中紅外波段的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1 傳統(tǒng)SOI波導及其的結構改進

2.1.1 SOI條波導和SOI脊波導

在傳統(tǒng)的近紅外通信應用中，SOI結構一直被用于光電子器件的制造。對于SOI的常規(guī)波導結構，由于埋氧層（buried oxide cladding）的吸收損耗，限制了其在中紅外波段的應用，然而對于在埋氧層吸收較低的3～4μm中紅外波段，埋氧層對波導傳輸損耗的影響在可接受的范圍內。2012年英國薩里大學的Miloevic小組[6]實驗測試了SOI條波導在3.74μm波長下的傳輸性能，實驗證實尺寸為1 400 nm×500 nm的SOI條波導傳輸損耗為4.6±1.1 dB/cm。同時該小組對SOI脊波導也進行了3.39μm、3.73μm和3.80μm波長下的損耗測試，結果如圖3所示。在3個波長的損耗分別為：3.39μm，0.6±0.2 dB/cm（TE）、0.7±0.2 dB/cm（TE）；3.73μm，1.8±0.2 dB/cm（TE）；3.80μm，1.5±0.2 dB/cm（TE）。結果 證明，SOI波導在3～4μm波段埋氧層的損耗在合理范圍內，依然是此波段硅基光電子器件的首選。

圖3 SOI脊波導在3.39μm、3.73μm、3.80μm下的傳輸損耗曲線

2.1.2 SOI槽狀波導

相比傳統(tǒng)的SOI波導結構，槽狀波導（slot waveguide）結構可以在波導間隙區(qū)域對電場進行放大（最高20倍），這恰好滿足中紅外硅基光電子傳感器件的高敏感性要求。2013年，英國南安普頓大學的Reed小組[7]首次實現(xiàn)了中紅外波段下的硅基槽狀波導。器件生長平臺采用6英寸的SOI晶片，工藝上采用電子束曝光和ICP刻蝕。槽寬、槽—脊轉換間隙和波導長度均為變量，圖4為其SEM照片。波導和末端的耦合光柵刻蝕深度均為220 nm，因此整個工藝流程中只有一步刻蝕。當槽寬度為130 nm時，脊波導和槽狀波導轉換區(qū)域的損耗為0.06 dB/面。實驗中1.42μm的槽狀波導損耗在9～10 dB。同時，增加波導寬度和側壁加工平滑度可以進一步優(yōu)化改器件性能。

圖4 SOI槽狀波導接口處SEM成像

2.1.3 SOI懸浮波導

為了延展SOI波導的應用范圍，研究人員采用氫氟酸溶液腐蝕掉波導正下方的埋氧層，消除了埋氧層的影響，使得SOI材料低損耗工作波長覆蓋到中紅外和遠紅外波段，這種新型的波導結構為SOI懸浮波導（suspended waveguide）。2012年Cheng[8,9]設計了一種脊高為340 nm的懸浮波導，其制作過程為：首先在SOI片表面光刻、刻蝕脊波導；然后在脊波導兩側開小孔并刻蝕到埋氧層；最后將片子浸泡在氫氟酸溶液中，通過波導兩側的小孔掏空脊波導正下方的埋氧層，實現(xiàn)懸浮脊波導結構。實驗測試得到在2.75μm波長下波導的損耗為3 dB/cm。同時Reed等人基于COMSOL和FEM仿真軟件在理論上證明，此類SOI懸浮波導最大可將適用波長延展至7μm。圖5為5～8μm波段的懸浮波導傳輸損耗的理論仿真（刻蝕深度150 nm，寬5μm）。

2.2 異質結結構波導

圖5 懸浮波導有效折射率和傳輸損耗曲線

在2.6～2.9μm和4μm以上的紅外窗口，二氧化硅對光的較大損耗限制了SOI波導在中紅外波段的傳輸性能。通過替換波導包層的材料產生異質結結構可以使波導結構在中紅外波段損耗降低。因此利用異質結結構制備中紅外光波導是實現(xiàn)中紅外低損耗光波導的有效辦法。它利用了兩種不同折射率材料間較大的折射率差將光場限制在低損耗的波導芯層，不但工藝比較簡單、成熟，而且器件的設計思路和通信波段內的光波導設計思路類似，針對不同波長范圍，可以選取不同的異質結結構。下面分別介紹SOS、SiPSi和SON 3種結構。

2.2.1 藍寶石上硅波導

由于藍寶石的低損耗傳輸窗口可到5.5μm，近年來關于藍寶石上硅（SOS）波導的報道層出不窮。SOS波導分別在3.4μm、4.4μm、5.08μm和5.5μm實現(xiàn)了3.6 dB/cm、4.3 dB/cm、1.9 dB/cm和4 dB/cm的傳輸損耗[10～13]。2010年美國華盛頓大學的Alexander Spott小組[13]首次在5.4～5.6μm波段利用SOS波導實現(xiàn)了Q值達到3 000的40μm微環(huán)諧 振 器。2013年，Shankar小 組[14]報 道 了 基 于SOS波 導 在4.3～4.6μm波段Q值超過150 000的微環(huán)諧振器。為增加Q值減小波導損耗，研究人員采用了98%的硫酸和30%過氧化氫按體積比為2.4∶1組成的混合酸液進行食人魚刻蝕，氫氟酸循環(huán)并退火。然而SOS材料也有一些不足的地方：藍寶石是一種很堅硬的材料，使得端面外耦合時SOS波導端面不能進行端面拋光，這導致端面不平整，大大降低了端面耦合效率；SOS晶圓有更多的缺陷、更復雜的制作過程，價格上也更昂貴。

2.2.2 多孔硅上硅波導

采用多孔硅上硅（SiPSi）結構也可以擴大波導的應用波長范圍。Mashanovich等人[15]最近報道了采用質子束曝光制造多孔硅上硅結構的方法：首先，由250 keV的質子束以1×1014cm-2的通量大小照射在硅片表面形成條波導區(qū)域；其次，把硅片放入氫氟酸溶液中進行電化學刻蝕，上表面形成的多孔硅用氫氧化鉀去除掉；然后，再次將硅片放入氫氟酸溶液中進行電化學刻蝕形成襯底部分的多孔硅；最后，氧化、退火以減小波導表面的粗糙度。波導截面如圖6（a）所示，這樣包層多晶硅的反射系數(shù)可以低至1.4，對波導光傳輸有極大的限制作用。圖6（b）是尺寸為4μm×2μm的SiPSi波導在近紅外波段和中紅外波段的損耗對比，1.55μm時損耗為2.1±0.2 dB/cm，3.39μm時損耗為3.9±0.2 dB/cm。

圖6 多孔硅上硅波導

2.2.3 氮化硅上硅波導

圖7 SON材料制備流程

氮化硅上硅（SON）也是目前一種新型的異質結波導結構。它的制備方法如圖7所示：切割同樣大小的兩塊SOI片和硅片；利用化學氣相沉積（PECVD）在SOI片表面沉積一層氮化硅；利用PECVD在兩個片子表面沉積一層二氧化硅，增大SOG的附著；鍵合、去SOI片的下表面硅和埋氧層。

2013年，Khan小組[16]報道了脊高為2μm的SON波導，它在3.39μm波長傳輸損耗為5.2 dB/cm。由于氮化硅的低損耗透射窗口能達到7μm，具有較低的反射系數(shù)（2附近），且SON結構簡單，使得它能夠在中紅外范圍內實現(xiàn)硅基器件良好的帶寬特性。

2.2.4 鍺硅波導

此外，鍺硅也是一種前景良好的中紅外波導材料。鍺在中紅外波段的吸收損耗比藍寶石和硅都要低，且鍺的反射系數(shù)很高，可以更緊密地束縛光場。理論上鍺硅波導可以工作在1.9～16.7μm超寬光譜范圍。采用SOS波導類似的制備方法理論上可以制備出損耗較小的鍺硅波導，Alexander Spott等人[17]對這種波導進行了光場分散仿真，如圖8（a）所示。

相比傳輸損耗而言，集成波導的色散和非線性特征更為可控。色散的光譜特征，比如零色散波長的位置和數(shù)量、色散斜率，都對非線性器件的帶寬性能有重要影響。由于色散與材料的二階非線性系數(shù)有關，故通過改變波導的形狀和尺寸可以對波導色散加以控制。近來，Zhang Lin等人[18]提出了一種對集成高指數(shù)對比波導進行色散控制的技術。這種技術利用一種偏離中心的納米級溝槽來控制波導器件在不同波長下的模式分布，得到十分平緩的色散變化分布，從而制造超寬帶寬的非線性波導。圖8(b)為鍺硅波導不同模式下的色散關系。

3 中紅外光分束器/合束器

分束器/合束器是高速光調制和光多路復用技術中的重要組成器件。隨著硅基光電子的應用窗口延展至中紅外波段，分束器/合束器在該波長范圍下的工作性能也逐漸受到關注。下面結合最近的一些研究成果介紹3種器件：MMI（多模干涉分束器）、MZI（馬赫—曾德爾干涉儀）和AMMI（多角度多模干涉多路復用器）。

MMI使得輸入光的兩個正交的偏振模式的光分別從不同端口輸出。由于硅材料具有大的雙折射率差的特點，基于SOI平臺的集成回路通常會存在偏振敏感的缺點，因此偏振分束/合束器也是硅基光電子學中研究的一個重點。2013年，Nedeljkovic等人[19]設計了一種工作在3.8μm波長的MMI。通過精確控制器件的幾何尺寸使得其性能表現(xiàn)良好。實驗測得該器件使用SOI平臺在3.8μm下插入損耗僅為0.1±0.01 dB，十分接近近紅外波段下的MMI最小插入損耗。研究人員還采用多孔硅波導平臺對相同器件進行了測試，損耗也比較理想（0.37±0.08 dB）。

圖8 硅鍺波導特性

MZI是硅基電光調制器和波長濾波器的重要組成部分。Nedeljkovic等人[20]設計的非等臂MZI結構短臂臂長為928 nm，臂差為350μm。該結構在3.7～3.9μm波段傳輸損耗為1.6～2.4 dB，最大消光比可達34 dB，F(xiàn)SR大約在10 nm，如圖9所示。從結果可以看出，MZI器件在中紅外領域的研究也已經趨于成熟。

圖9 MZI結構的靜態(tài)光傳輸譜線

AMMI是中紅外高速數(shù)據(jù)傳輸和傳感器應用器件的基礎。如圖10（a）所示，該器件的輸入輸出波導與軸向成一定角度θ。而輸入輸出波導間的軸向距離計算式為Li=。Nedeljkovic等人[7]設計的該器件能在3.8μm處實現(xiàn)30 nm相移的多路信號復用，實驗測得器件有4～5 dB的插入損耗、-12 dB的通道間串擾損耗，如圖10（b）所示。其工作損耗比近紅外下稍高。隨著信號傳輸速度要求的不斷提高，器件還要向通道數(shù)增加、串擾和插入損耗降低的方向優(yōu)化。

圖10 AMMI結構與特性

4 中紅外二極管

信號單向導通器件是集成光學中一種重要的基本元件。如何實現(xiàn)光信號的非互易導通，即二極管效應，是集成硅基光電子學研究的基本問題之一。在近紅外波段，F(xiàn)an等人[21]在2012年提出了利用硅基環(huán)型諧振腔來實現(xiàn)CMOS兼容的近紅外全光二極管。這種方案采用的是雙光子吸收（TPA）效應導致的熱光現(xiàn)象來實現(xiàn)二極管單向導通，而硅材料的TPA效應范圍十分有限（1.1～2.2μm），在中紅外波段無法采用相同的方案實現(xiàn)二極管效應。同年，南開大學的研究小組[22]提出了一種基于自相位調制效應的中紅外硅基全光二極管設計方案。此方案采用SOI懸浮波導為基本材料，包含了兩個硅基微環(huán)諧振腔和一根硅基直波導。由于自相位調制效應的作用，環(huán)型諧振腔的諧振波長發(fā)生改變，進而可以實現(xiàn)光信號的單向導通，經過優(yōu)化，此種類型的光二極管的最大非互易導通率（NTR）大于40 dB。

該二極管器件結構如圖11所示。由于自相位調制效應的作用，光場在環(huán)型諧振腔中的諧振波長會發(fā)生紅移，故而左側諧振腔被設計在Pin=0時諧振波長等于信號光波長，而右側諧振腔則被設計在Pin=Psignal時諧振波長等于工作波長。當信號光從左側入射時，將損失一部分能量而不會發(fā)生諧振，當?shù)竭_右側諧振腔時，輸入信號小于Psignal，也不會發(fā)生諧振；當信號光從右側入射時，由于Pin=Psignal，信號光將在右側環(huán)中發(fā)生諧振從而損失大部分能量，剩余的信號光到達左側諧振腔時，由于Pin≈0，又將發(fā)生諧振使剩余能量進一步損耗，這樣就實現(xiàn)了信號的單向導通。

圖12分別為在2 mW信號功率下，正向入射和反向入射時的透過譜?？梢钥吹?，當信號光正向傳輸時，左側微環(huán)的諧振波長移到了2 533.57 nm，對應信號光波長處的損耗為2.75 dB；而信號光進入右側微環(huán)時，其諧振波長只移動到了2 533.544 nm，對應信號光處的損耗為1.2 dB；當信號光反向傳輸時，右側微環(huán)的諧振波長即信號光波長，信號光的損耗為17 dB，而在左側微環(huán)中，工作波長仍處于諧振狀態(tài)，信號光的損耗為30 dB。這樣，信號光的正向傳輸損耗為3.95 dB，而反向傳輸損耗大于45 dB，很好地實現(xiàn)了單向導通。

圖11 二極管器件結構

圖12 環(huán)型腔全光二極管透過譜

5 中紅外激光源和放大器

就產生中紅外激光方法而言，目前有線性光學產生的如半導體量子級聯(lián)激光器、固體激光器、自由電子激光器、化學激光器、氣體激光器；非線性方法產生光學倍頻激光器、差頻激光器和光參量激光器。本文主要介紹非線性激光器的研究進展。

由于光纖在1 550 nm左右擁有最低的傳輸損耗，目前光纖傳輸系統(tǒng)一般都工作在這個波長附近。但當系統(tǒng)中需要引入在高功率泵浦光下工作的非線性器件（如光參數(shù)放大器、波長轉換器）時，雙光子吸收效應（TPA）將對整個性能產生極大的限制[23～25]。TPA效應是指兩個光子“合作”跨越能級帶隙的過程。這個過程將產生一定數(shù)量的自由載流子，而硅是間接帶隙材料，其載流子復合速率只有103～106/s，故而當泵浦光功率較高時，TPA效應產生的自由載流子數(shù)量將迅速累積，而這些自由載流子對光場的吸收效應使得泵浦光的效率大大降低。而在中紅外波段，由于產生TPA效應的閾值為2.2μm，自由載流子損耗將大大降低，故而中紅外波段是基于高功率泵浦光非線性光學器件的良好實現(xiàn)平臺[26～29]。基于硅基光電集成技術的中紅外光源及其他非線性器件將在醫(yī)學組織灼燒去除技術、碳氫化合物排放探測等中紅外應用中具有良好的前景[30]。下面將介紹最近幾年紅外激光源和放大器的研究情況。

5.1 基于FWM的中紅外光學參量放大器

實現(xiàn)中紅外參量放大有兩種機制：受激斯托克斯拉曼散射（SSRS）和四波混頻（FWM）技術。由于拉曼放大線寬約為1 nm，故而難以實現(xiàn)寬帶的參量放大[4]；而四波混頻技術只要通過控制相位匹配和反常色散參數(shù)，就可以在很寬的光譜范圍內實現(xiàn)光學參量放大。

硅基光電子在中紅外波段取得的一個重大突破正是2010年Green等人和Zlatanovic等人[31,32]分別獨立提出的硅基光學參量放大器。兩組研究人員均采用四波混頻技術實現(xiàn)參量放大。Green小組采用的泵浦光波長選在TPA效應閾值2.2μm邊緣，硅基波導長度為4 mm，有效截面積僅為0.3μm2（700 nm×425 nm）。實驗測得該參量放大器的最高放大倍數(shù)為25 dB，有效克服了光纖耦合損耗和波導傳輸損耗，可以實現(xiàn)高達13 dB的片上總增益，如圖13（a）所示。而Zlatanovic等人的器件波導長度為3.8 mm，有效截面積為0.35μm2，與Green的器件尺寸近似于相同。而與Green泵浦光采用2 200 nm的中紅外鈦：藍寶石光參數(shù)振蕩器光源不同，Zlatanovic等人采用的是結構精簡的光纖激光器。將通信波段的1 300 nm和1 589 nm激光通過一個長度為8 m的高非線性系數(shù)光纖，產生了1 758 nm的信號光和2 388 nm的泵浦光，實現(xiàn)了光源的低成本和精簡化。利用FWM技術，這類放大器最大轉換效率為-36.8 dB。

同年，Green等人通過對之前研究結果進行優(yōu)化的反常色散調控，利用截面為900 nm×220 nm、長度為2 cm的SOI波導，實現(xiàn)了帶寬超過550 nm、片上總增益大于30 dB的超寬帶光學參量放大器。采用相同結構，改變泵浦激光波長和相位匹配截面，選擇合適的泵浦光功率，該器件同樣實現(xiàn)了1 540～2 500 nm的超連續(xù)寬譜光源；通過選擇合適的泵浦波長（1 946 nm），該器件還能實現(xiàn)通信波段（1 620 nm）和中紅外波段（2 440 nm）之間的波長變換，如圖13（b）所示。

5.2 基于硅基頻率梳的中紅外激光器

光學頻率梳是指在一個波段范圍內一系列相干光源組合，具有窄線寬、頻率間隔小、光譜峰等距的特點。由于中紅外波段存在大量的吸收峰，窄線寬的光學頻率梳在氣體分子探測中有著廣泛的應用[33]。因此利用硅基光電子技術CMOS兼容、器件結構精簡、批量制造成本低的優(yōu)勢，有望實現(xiàn)氣體嗅探和濃度測量的片上集成。近年來，中紅外光學頻率梳的實現(xiàn)平臺有光纖激光器、鎖模激光器和光學參量振蕩器等幾種[34～36]。然而以上平臺相對來說體積較大，集成困難?；诠璨▽У某B續(xù)光譜具有帶寬大、結構精簡、CMOS兼容的特點，但產生這種光譜所需的泵浦光功率較高，且光譜峰間距約為100 MHz，無法滿足精密探測的需求。另一種方法是采用量子級聯(lián)激光器[37]，而活性物質在實現(xiàn)片上集成上也存在一定困難。

圖13 實驗結果

而基于微環(huán)諧振腔的頻率梳由于具有寬帶、精簡、易于片上集成等特點，具有良好的研究前景?；谥C振腔的頻率梳利用四波混頻中的非線性參量過程，使得泵浦激光的能量通過非線性相位調制效應轉移到泵浦光附近的諧振腔所支持的波長，從而產生了一系列間距與諧振腔自由光譜范圍相等的相干激光。

圖14 中紅外頻率梳結構與特性

在中紅外波段，實現(xiàn)硅基微環(huán)頻率梳的難點主要有兩點：一是線性損耗，主要來自于器件刻蝕后表面粗糙導致的光學散射；二是2.2～3.3μm波段下的三光子吸收效應產生的自由載流子吸收效應[38,39]。2015年，美國康奈爾大學的Griffith等人[40]利用新型熱氧化工藝和外加反向偏置電壓的方法成功解決了上述損耗，基于微環(huán)諧振腔和外加1.2 W的2.59μm泵浦光得到了2.1～3.5μm范圍 的頻率梳。其頻率間隔為127±2 GHz。圖14為微環(huán)結構和器件截面SEM。

微環(huán)直徑為200μm，鋁電極與離子摻雜區(qū)實現(xiàn)歐姆接觸，工作時外加反向電壓用以加快三光子吸收效應產生的自由載流子。工藝方面，與傳統(tǒng)的干法刻蝕工藝不同，研究人員通過氮化硅作為掩膜的熱氧化技術避免了器件表面不平滑帶來的功率散射和吸收[41～43]，使得器件本征狀態(tài)下品質因數(shù)達到590 000，傳輸損耗為0.7 dB/cm。為了實現(xiàn)器件的高帶寬，通過對改變波導截面的幾何形狀調控色散，使得FWM效應能夠發(fā)生在較寬的范圍[44,45]。圖15為器件在2.2～3.0μm的色散系數(shù)和外加1 V反向偏置時的頻率梳輸出結果。

圖15 MIR微環(huán)特性

5.3 量子級聯(lián)激光器

不少研究人員將能產生寬譜激光的量子級聯(lián)激光器列為中紅外光源的重要選擇。量子級聯(lián)激光器是一種基于子帶間電子躍遷的新型單極光源，將數(shù)個量子阱結構串聯(lián)在一起。它的輸出波長與有源區(qū)量子阱厚度有關，可通過溫度或電流進行調諧。現(xiàn)已經研制出的量子級聯(lián)激光器波長范圍為3.4～17μm。到目前為止，中紅外3～5μm量子級聯(lián)激光器基本采用GaInAs/AlInAs材料。

6 中紅外調制器和探測器

近年來，隨著云計算和遠程手術等新型應用概念的提出，全球基礎通信數(shù)據(jù)量以每年50%的驚人速率飛速上升。陡峭增長的數(shù)據(jù)傳輸量對光通信提出了更高的要求。為了解決容量緊縮問題，中紅外短波段（2～3μm）正逐漸進入科學家們的視野。研究人員在2～3μm的短波波段的新型的光纖、放大器和非線性過程進行了比較成熟的研究。為了發(fā)揮硅基光電子的成本優(yōu)勢，適用于中紅外短波段的光收發(fā)機元件需要重新進行設計。光電收發(fā)機系統(tǒng)中兩個最重要的元件是高速光電探測器和高速光學調制器。下面將分別介紹這兩種元件在中紅外短波波段的最新進展。

6.1 光電探測器

光電探測器是將入射光能量轉化為電信號的光電子器件。它不像激光器那樣必須是直接帶隙的材料，因此硅基平臺可以制備性能良好的探測器。在近紅外通信波段，鍺硅材料是目前最常用的實現(xiàn)高速探測的平臺[46]。但由于鍺在2～3μm波段傳輸透明性太強，近紅外的鍺硅探測器無法適用中紅外短波波段。目前將探測器應用范圍拓展至2～3μm波段的方法有3種：Ⅲ-Ⅴ硅基混合材料探測器[47]、石墨烯硅基探測器[48]、基于缺陷介導的硅基探測器[49]。而基于缺陷介導吸收的硅基探測器在通信波段中就表現(xiàn)出良好的集成能力。它的主要機理是：在禁帶內引入缺陷狀態(tài)，通過光學吸收和缺陷狀態(tài)引起的熱激發(fā)機制實現(xiàn)光子的吸收。在近紅外波段，研究人員已經實現(xiàn)了帶寬超過30 GHz、響應率為1 A/W的缺陷介導吸收探測器。在2μm和2.5μm波長下，響應率分別會下降3 dB和20 dB。造成響應度下降主要有兩個原因：波導尺寸導致的光子和缺陷接觸面積的降低，模場限制系數(shù)下降導致的基底吸收損耗和重摻雜離子吸收損耗。2014年，Thomson等人[50]率先實現(xiàn)了2～2.5μm波段下的缺陷介導探測器。該器件工作在10 Gbit/s速率、30 V反向偏壓下，響應度約為0.1 A/W，器件制作采用的SOI脊波導尺寸為4.7μm×3.5μm。影響器件的關鍵因素是離子摻雜濃度，需要在摻雜導致的載流子吸收效應和載流子復合速率之間找到最優(yōu)化的參數(shù)組合。2015年，Ackert等人[51]基于上述結構進行了優(yōu)化，實現(xiàn)了帶寬更寬、響應度更高、器件尺寸更小的缺陷介導探測器。其結構如圖16所示。

器件在20 Gbit/s速率、27 V反向偏壓下實現(xiàn)了0.3 A/W的響應度，暗電流小于1μA。值得注意的是，它的截面積只有0.22μm2，相比Thomson之前工作中的10μm2要精簡很多。20 Gbit/s的工作速率也是目前為止2μm波長下最快的工作速率，如圖17所示為眼圖效果。

實現(xiàn)這類精簡結構的探測器重要意義在于，實現(xiàn)了中紅外波段探測器真正意義上的硅基集成，制作過程無需CMOS工藝外的其他工具。值得注意的是，由于溫度敏感性對缺陷結構的影響[52]，缺陷的引入必須在整個工藝流程的后端。

6.2 調制器

6.2.1 基于等離子色散效應的中紅外硅基調制器

圖16 缺陷介導探測器結構示意

圖17 探測器20 Gbit/s眼圖工作結果示意

基于自由載流子注入，耗盡和累積式等多種調制方式的硅基等離子色散調制器目前已經擁有廣泛的應用。等離子色散效應結合了CMOS兼容、性能可觀、生產簡易的特點，這使得它在調制器領域備受關注。通信波段下基于聚合物、鍺、半導體材料和石墨烯等材料的高速調制器都已經成功實現(xiàn)。相比在1.3μm和1.55μm波段的廣泛研究和應用，目前在中紅外波段范圍內，基于等離子色散效應的硅基調制器的研究工作十分有限。研究人員理論證實中紅外波長下自由載流子濃度對硅材料反射系數(shù)的影響較通信波段來說要顯著很多[53]。2015年英國南安普頓大學的Thompson等人利用載流子注入式可變光衰減器實驗測試了近紅外到中紅外波段下（1.3μm、1.5μm、2μm、2.5μm）等離子色散效應對器件傳輸性能的影響[50]，并成功匹配了之前的理論值。實驗器件主要組成部分是p-i-n結構二極管，本征區(qū)結構由波導構成。當器件上加載正向偏置時，自由載流子被注入本征區(qū)波導區(qū)域中，從而增加對傳輸光的吸收。通過測量輸出光強度，得到了不同波長下歸一化的傳輸損耗曲線如圖18所示。

圖18 等離子色散效應不同波長下光吸收曲線

可以看出，隨著波長的增加，由等離子色散效應造成的波導光傳輸損耗也越加明顯。這預示著工作在2μm窗口的等離子色散效應硅基調制器將擁有更加精簡的結構和更低的驅動電壓，器件的能耗也相比傳統(tǒng)的通信波段大大降低。因此，在中紅外窗口基于等離子色散效應的硅基調制器性能將隨著波長的增加而提升。相比傳統(tǒng)通信波段，此類調制器在中紅外窗口的硅基集成和CMOS兼容方面將更加出色，可以預見此類調制器在中紅外窗口的應用將解決傳統(tǒng)通信波段日益緊張的傳輸容量限制問題。

6.2.2 基于雙光子吸收效應的交叉吸收調制器

雖然非線性吸收在許多高功率的應用中是限制器件性能的缺陷項，但基于TPA效應的超快速特性，許多全光處理功能，例如脈沖整型、邏輯門、調制器和高速開關等得以實現(xiàn)[54,55]。2015年Li等 人[56]利用鍺 上 硅在2μm波 長 附近的高βTPA參數(shù)提出了基于交叉吸收調制（XAM）的高速全光調制。由于鍺的TPA效應產生范圍相對于硅較寬[57]，其βTPA參數(shù)也較高，所以在2～3μm的中紅外波段鍺硅的硅光子器件可以通過雙光子吸收效應實現(xiàn)高速率、高消光比的調制。這對未來自由空間通信系統(tǒng)向中紅外波段的搬移以及超高速通信系統(tǒng)的搭建擁有極大的積極意義。

高強度的泵浦光子和另一加載在探針上的信號光子跨越能帶在TPA效應的作用下被吸收，輸出信號“0”；相反的，當信號為低或空時，光子能量無法跨越能帶產生TPA效應，光子將通過器件，輸出信號“1”。

XAM調制實驗的平臺搭建和實驗過程如圖19所示。高功率激光源通過鎖模激光器和摻銩光纖產生周期為25 MHz，脈沖寬度為5 ps的1.95μm激光。通過分束器進入高功率泵浦和低功率探針，輸出通過一個合束器進行合束并通過一個40倍的物鏡耦合進入光纖。輸出光信號經由第二個40倍物鏡收集進入硒化鉛前置放大光敏探測器進行信號功率的測量。

圖19 XAM實驗測試平臺

通過控制探針的脈沖時延，泵浦功率為10 W時輸出的平均功率僅為4 mW，圖20繪制了此時輸出信號的強度示意。測量所得到的反應速率清楚地顯示出TPA效應出現(xiàn)時，硅波導具有超快的光吸收速率。因此對5 ps的信號能夠達到大約200 GHz甚至THz量級的速率，從而實現(xiàn)超高速率的調制。值得注意的是，由于自由載流子復合的時間較長，TPA效應消失后依然存在自由載流子吸收效應，這使得光強較最大值有10%的衰減吸收。因此在這個調制系統(tǒng)中還需要添加快速消除自由載流子的方案。

圖20 XAM調制輸出信號波形

研究人員還對不同泵浦功率下的調制深度進行了實驗測試，如圖21所示。隨著耦合輸入功率的增加，器件的調制深度也不斷增加。器件在泵浦功率為10 W時達到了目前所報道的IV族波導最高的調制深度8.1 dB。

圖21 XAM調制深度對應泵浦功率曲線

7 結束語

CMOS兼容，成本低廉的硅基光電子技術在傳統(tǒng)通信領域大放異彩的同時，在中紅外應用器件的制造中也日漸凸顯優(yōu)勢。本文主要介紹了近5年來研究人員面向中紅外應用的硅基光電子器件的最新研究進展和成果。引入硅基光電子技術，可以顯著改善目前中紅外應用器件體積龐大、制造流程繁瑣的缺陷，而片上實驗系統(tǒng)概念的提出，使得基于非線性光學的各種傳感器件有望實現(xiàn)大規(guī)模集成，從而顯著提升器件的傳輸和監(jiān)測效率。在通信方面，拓寬通信光譜至中紅外波段，可以有效地解決目前數(shù)據(jù)傳輸爆炸效應帶來的近紅外通信容量緊縮的問題。并且由于硅基光電子在傳統(tǒng)通信波段領域成熟的研究成果和中紅外波段良好的傳輸、非線性性能，利用硅基光電子技術實現(xiàn)中紅外通信將成為大勢所趨。

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