矽基光子集成回路在中紅外波段的應用

Photon. Res.封麵故事

新加坡科技研究局微電子研究院納米光子研究中心設計並實現了基於絕緣襯底上矽和絕緣襯底上氮化矽的用於2 μm和3.8 μm的低損耗中紅外波導及無源光子器件，提出了二氧化碳氣體傳感器作為中紅外應用的方案。

中紅外波段（2—20 μm）涵蓋了很多分子的特征吸收譜。這一特性使得構建中紅外光子傳感器成為可能。這些傳感器可應用於環境、工業的檢測以及生物傳感。此外，中紅外波段含有大氣高透射率窗口，可用於自由空間光通信和激光雷達係統。鑒於矽光子在近紅外波段所表現出的優勢，在中紅外的應用中，它仍然是極具吸引力的技術方案。

許多互補金屬氧化物半導體 (CMOS)工藝兼容的材料體係和技術平台被開發用於實現不同中紅外波段的低損耗光波導。這些材料包括絕緣襯底上矽、氮化矽上矽、矽上鍺、絕緣襯底上鍺、氮化矽上鍺、矽上藍寶石、矽上矽鍺合金以及絕緣襯底上氮化鋁。基於這些材料，世界範圍內的許多課題組製作出了中紅外無源、有源光子器件。最新的相關研究成果綜述發表在Photonics Research 2017年第5卷第5期上 (T. Hu, et al., Silicon photonic platforms for mid-infrared applications )。

該文還報道了作者在短中紅外波段所做的研究工作。他們設計並實現了基於絕緣襯底上矽和絕緣襯底上氮化矽的用於2 μm和3.8 μm的低損耗中紅外波導及無源光子器件，提出了二氧化碳氣體傳感器作為中紅外應用的方案。分析指出，使用傳輸損耗為1.5 dB/cm的螺旋光波導可以實現20 ppm的探測極限。如果波導傳輸損耗減小，探測靈敏度可以進一步提高。新加坡科技研究局微電子研究院納米光子研究中心主任盧國強博士認為，相關研究對擴展集成光學在其他方麵的應用具有重要意義。

下一步的工作重點是將高性能無源器件與中紅外激光器、探測器集成，實現高靈敏度氣體傳感器。

基於中紅外光子集成回路的緊湊型CO2氣體傳感器。中紅外光源和探測器之間的光波導是與被探測物相互作用的元件，其螺旋結構可以增加相互作用的長度從而提高靈敏度。

論文鏈接：

https://www.osapublishing.org/prj/abstract.cfm?uri=prj-5-5-417

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