中紅外集成光子學(xué)近年來(lái)因其廣泛的關(guān)鍵應(yīng)用而備受關(guān)注，如危害探測(cè)，大氣中紅外自由空間數(shù)據(jù)傳輸，光譜學(xué)，天體光子學(xué)或軍事成像。
法國(guó)的納米科學(xué)與納米技術(shù)中心首次研究了在工業(yè)規(guī)模200mm晶圓上生長(zhǎng)的中紅外梯度SiGe光子電路的光學(xué)特性^[1]。為此，采用低傳播損耗的波導(dǎo)在5至11 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)制造，允許寬帶操作，損耗與許多應(yīng)用兼容。為了進(jìn)一步提高該平臺(tái)在長(zhǎng)波紅外波段的性能，對(duì)其傳輸損耗的來(lái)源進(jìn)行了深入的研究。 在所使用的設(shè)備中，梯度SiGe層采用8微米厚的均勻分布梯度層。其中，Ge的濃度從4%增加到79%，隨厚度從4μm增加到79μm而線性遞增，每毫米約為10%。該層在200毫米的Si⟨001⟩基底表面生長(zhǎng)，該層最終厚度為2.5μm。掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像展示了梯度層的整個(gè)結(jié)構(gòu)和Ge濃度隨位置的變化關(guān)系圖。通過(guò)掃描電子顯微鏡能量散射X射線譜儀（EDS），對(duì)整個(gè)梯度層進(jìn)行了能量散射分析，結(jié)果表明該線性增長(zhǎng)的Ge濃度在數(shù)值上是一個(gè)很好的近似。

法國(guó)研究團(tuán)隊(duì)使用了4個(gè)量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）芯片作為光源，這些芯片位于一個(gè)外部腔（MIRCAT系統(tǒng)，Daylight Solutions）中，工作在脈沖狀態(tài)（100 kHz重復(fù)頻率，500 ns脈沖寬度），范圍從5.08 μm到11.21 μm。從該系統(tǒng)發(fā)出的光被耦合到先前使用ZnSe非球面透鏡描述的螺旋波導(dǎo)中，并在輸出處使用類(lèi)似的透鏡收集。他們使用的光斑分析設(shè)備是DATARAY的WinCamD-IR-BB。

圖a給出了實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖，圖b給出了在6.6 cm長(zhǎng)的波導(dǎo)輸出處采集的TE模式在模式分析器上拍攝的圖像。對(duì)于激光系統(tǒng)中四個(gè)不同的QCL中的每一個(gè)，發(fā)射的光被耦合到給定長(zhǎng)度的波導(dǎo)中，然后收集輸出信號(hào)，一旦使用模式分析器確保正確的耦合，就會(huì)發(fā)送到HgCdTe探測(cè)器以測(cè)量輸出的歸一化功率。輸入和輸出對(duì)準(zhǔn)在每個(gè)QCL的增益頻譜的中心位置進(jìn)行，然后測(cè)量輸出信號(hào)的強(qiáng)度，而輸入波長(zhǎng)掃過(guò)給定QCL的輸出頻譜。該測(cè)量是針對(duì)每個(gè)QCL和可測(cè)量的波導(dǎo)長(zhǎng)度進(jìn)行的。

計(jì)算側(cè)壁粗糙度、自由載流子吸收和多聲子吸收的模型用于計(jì)算SiGe波導(dǎo)中的傳播損耗。

團(tuán)隊(duì)使用了從模擬傳播損耗（也就是研究的所有所關(guān)注的貢獻(xiàn)之和）出發(fā)來(lái)定義傳播損耗，結(jié)果以黑體畫(huà)出在上圖中。結(jié)果顯示，在5到9微米的范圍內(nèi)，這個(gè)模型給出了一個(gè)不錯(cuò)的估算。然而，在9微米以上的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量與理論模型之間存在一個(gè)差值低于2分貝每厘米。除此之外，還列舉了幾個(gè)可能的原因來(lái)解釋這一差異。首先是模擬模型沒(méi)有考慮梯度層中的殘余應(yīng)變——該模型未考慮梯度層中殘余應(yīng)變，它會(huì)影響晶格結(jié)構(gòu)的散射關(guān)系，并從而影響多波吸收。然而，目前沒(méi)有相關(guān)的研究探討多波吸收與SiGe alloys中的缺陷的關(guān)系。其次可能是梯度層中存在缺陷，在這種情況下，缺陷可以對(duì)較大的光子波長(zhǎng)產(chǎn)生更多影響，因?yàn)楣鈱W(xué)模式的尺寸增加，從而與這些缺陷發(fā)生重疊。但對(duì)缺陷密度與傳播損耗之間的關(guān)系進(jìn)行精確量化是十分困難的。

綜上所述，本文制備了Ge-摻雜SiGe光學(xué)波導(dǎo)，覆蓋了5到11微米的所有波長(zhǎng)范圍。在5到7微米的范圍內(nèi)，損失量低于0.5dB/cm。一直到11微米，損失值仍控制在合理范圍內(nèi)。而且損失量可以進(jìn)一步減小，通過(guò)減少p型摻雜的殘留濃度到低于2×1014/cm³的水平，但這種處理可能相對(duì)困難。此外，可以通過(guò)使用摻雜補(bǔ)償技術(shù)將波導(dǎo)轉(zhuǎn)換為n型或無(wú)摻雜狀態(tài)來(lái)降低傳播損耗，這在Si和Ge中都表現(xiàn)良好。

Dataray中紅外光束質(zhì)量分析儀

Dataray的WinCamD-IR-BB是專(zhuān)為紅外波段設(shè)計(jì)的相機(jī)型光束分析儀，可分析MWIR與FIR范圍內(nèi)的光束質(zhì)量，具有高靈敏度。

WinCamD-IR-BB采用氧化釩（VOx）微測(cè)熱輻射計(jì)，可探測(cè)波長(zhǎng)范圍達(dá)2-16µm，在像素尺寸17x17µm的情況下靶面范圍有10.88x8.16mm，并擁有640x480的分辨率。

WinCamD-IR-BB擁有USB3.0接口，可以直接連接電腦并使用專(zhuān)用的Dataray軟件進(jìn)行光斑輪廓以及光束信息的分析與記錄。

中紅外光譜儀與光源
NLIR 2-5 μm 中紅外光譜儀采用了一種新穎的測(cè)量結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)基于上轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以將中紅外光轉(zhuǎn)為近可見(jiàn)光。近可見(jiàn)光硅基探測(cè)器在探測(cè)能力、速度、噪聲等方面的性能都遠(yuǎn)優(yōu)于中紅外探測(cè)器。
NLIR的長(zhǎng)波長(zhǎng)光譜儀的原型版本覆蓋7.6 μm 至12.0μm（1316 cm-1至833 cm-1）。該光譜儀目前具有50 Hz的全光譜讀出速率和10 cm-1的分辨率,全孔徑曝光時(shí)靈敏度為200 pW/nm（-67 dBm/nm）。

瑞士Arcoptix公司紅外光譜儀具有小巧緊湊，高性價(jià)比，高分辨率，寬波長(zhǎng)范圍，高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。近紅外光譜儀覆蓋范圍達(dá)900-2600nm，紫外覆蓋型號(hào)則可以擴(kuò)展到200-2600nm，而中紅外專(zhuān)用款式則可以檢測(cè)到2-16μm波段范圍內(nèi)。

Arcoptix傅里葉變換紅外光譜儀與光柵光譜儀不同，不會(huì)受到二階三階衍射譜的影響。沒(méi)有增益波動(dòng)、暗電流波動(dòng)和像素缺陷，適用于光纖系統(tǒng)以及空間光系統(tǒng)。

Arcoptix也提供波長(zhǎng)范圍覆蓋近紅外（0.4-4µm）和中紅外（1-25µm）的兩款光源，帶有可卸載的光纖耦合器，可以在自由空間光或者光纖耦合輸出中隨意選擇。

 

參考

1. Turpaud V, Nguyen T-H-N, Dely H, Koompai N, Bricout A, Hartmann J-M, et al. Low-loss SiGe waveguides for mid-infrared photonics fabricated on 200 mm wafers. Optics Express 2024; 32(10):17400-17408.