中紅外集成光子學近年來因其廣泛的關鍵應用而備受關注，如危害探測，大氣中紅外自由空間數據傳輸，光譜學，天體光子學或軍事成像。
法國的納米科學與納米技術中心首次研究了在工業規模200mm晶圓上生長的中紅外梯度SiGe光子電路的光學特性^[1]。為此，采用低傳播損耗的波導在5至11 μm波長范圍內制造，允許寬帶操作，損耗與許多應用兼容。為了進一步提高該平臺在長波紅外波段的性能，對其傳輸損耗的來源進行了深入的研究。 在所使用的設備中，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，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結構和Ge濃度隨位置的變化關系圖。通過掃描電子顯微鏡能量散射X射線譜儀（EDS），對整個梯度層進行了能量散射分析，結果表明該線性增長的Ge濃度在數值上是一個很好的近似。

法國研究團隊使用了4個量子級聯激光器（QCL）芯片作為光源，這些芯片位于一個外部腔（MIRCAT系統，Daylight Solutions）中，工作在脈沖狀態（100 kHz重復頻率，500 ns脈沖寬度），范圍從5.08 μm到11.21 μm。從該系統發出的光被耦合到先前使用ZnSe非球面透鏡描述的螺旋波導中，并在輸出處使用類似的透鏡收集。他們使用的光斑分析設備是DATARAY的WinCamD-IR-BB。

圖a給出了實驗裝置的示意圖，圖b給出了在6.6 cm長的波導輸出處采集的TE模式在模式分析器上拍攝的圖像。對于激光系統中四個不同的QCL中的每一個，發射的光被耦合到給定長度的波導中，然后收集輸出信號，一旦使用模式分析器確保正確的耦合，就會發送到HgCdTe探測器以測量輸出的歸一化功率。輸入和輸出對準在每個QCL的增益頻譜的中心位置進行，然后測量輸出信號的強度，而輸入波長掃過給定QCL的輸出頻譜。該測量是針對每個QCL和可測量的波導長度進行的。

計算側壁粗糙度、自由載流子吸收和多聲子吸收的模型用于計算SiGe波導中的傳播損耗。

團隊使用了從模擬傳播損耗（也就是研究的所有所關注的貢獻之和）出發來定義傳播損耗，結果以黑體畫出在上圖中。結果顯示，在5到9微米的范圍內，這個模型給出了一個不錯的估算。然而，在9微米以上的波長范圍內，實驗測量與理論模型之間存在一個差值低于2分貝每厘米。除此之外，還列舉了幾個可能的原因來解釋這一差異。首先是模擬模型沒有考慮梯度層中的殘余應變——該模型未考慮梯度層中殘余應變，它會影響晶格結構的散射關系，并從而影響多波吸收。然而，目前沒有相關的研究探討多波吸收與SiGe alloys中的缺陷的關系。其次可能是梯度層中存在缺陷，在這種情況下，缺陷可以對較大的光子波長產生更多影響，因為光學模式的尺寸增加，從而與這些缺陷發生重疊。但對缺陷密度與傳播損耗之間的關系進行精確量化是十分困難的。

綜上所述，本文制備了Ge-摻雜SiGe光學波導，覆蓋了5到11微米的所有波長范圍。在5到7微米的范圍內，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。而且損失量可以進一步減小，通過減少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困難。此外，可以通過使用摻雜補償技術將波導轉換為n型或無摻雜狀態來降低傳播損耗，這在Si和Ge中都表現良好。

Dataray中紅外光束質量分析儀

Dataray的WinCamD-IR-BB是專為紅外波段設計的相機型光束分析儀，可分析MWIR與FIR范圍內的光束質量，具有高靈敏度。

WinCamD-IR-BB采用氧化釩（VOx）微測熱輻射計，可探測波長范圍達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用的Dataray軟件進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量結構。該結構基于上轉換技術，可以將中紅外光轉為近可見光。近可見光硅基探測器在探測能力、速度、噪聲等方面的性能都遠優于中紅外探測器。
NLIR的長波長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，高性價比，高分辨率，寬波長范圍，高靈敏度等優點。近紅外光譜儀覆蓋范圍達900-2600nm，紫外覆蓋型號則可以擴展到200-2600nm，而中紅外專用款式則可以檢測到2-16μm波段范圍內。

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

Arcoptix也提供波長范圍覆蓋近紅外（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.