短波中红外硅基光子学的发展历程

短波中红外光学（2~2.5μm）在通信测距、卫星遥感、疾病诊断、军事国防等领域具有广泛的应用。作为短波中红外光学系统的关键核心部件，集成光电器件的开发一直都是重点的研究领域。同时随着波长的增加，光学器件对加工工艺的最小尺寸、设计容差、加工精度等要求还将进一步降低，短波中红外有望实现更低的器件开发成本。得益于硅基材料超宽的光谱透明窗口，其在开发短波中红外集成光电子器件方面极具发展前景，近年来获得了广泛的关注。

据麦姆斯咨询报道，近期，天津大学光电信息技术教育部重点实验室程振洲教授、华中科技大学武汉光电国家研究中心余宇教授和深圳大学物理与光电工程学院王佳琦助理教授共同合作在《红外与激光工程》期刊上发表了以“短波中红外硅基光子学进展”为主题的综述文章。通讯作者（导师）程振洲教授主要从事硅基光子学方面的研究工作，余宇教授主要从事光电子集成器件、光通信方面的研究工作，王佳琦助理教授主要从事硅基光子学和光纤传感器方面的研究。

这项研究简要回顾了短波中红外硅基光子学的发展历程，从无源波导器件（包括波导、光栅耦合器、微型谐振腔、复用/解复用器等）、非线性光学波导器件和光电波导器件（包括调制器和探测器等）三方面综述了短波中红外硅基光子学的发展历史和前沿进展。

短波中红外波段硅基微型谐振腔器件

无源波导器件是硅基光子学的基石，多种类型的短波中红外硅基光学器件包括波导、光栅耦合器、微型谐振腔、复用/解复用器件等。器件结构和性能的改进为实现低成本、高密度、多功能的短波中红外光电器件片上集成奠定了基础，有望惠及光通信、光互连、光学传感和非线性光学等多个领域。

硅基材料具有高折射率（~3.45@2μm波长）和高克尔非线性系数（~1.1×10−17m2/W@2μm波长）的特点，并且在短波中红外波段的双光子吸收系数较低，因此，在短波中红外非线性光学器件的研发和应用方面潜力巨大。目前，多种非线性光学效应已经在短波中红外硅基器件中被研究探索，并用于研发新型的片上中红外光源，包括四波混频（FWM）、光参量放大（OPA）、光参量振荡（OPO）、超连续谱产生（SCG）和克尔光频梳（KFC）等。

短波中红外波段非线性光学波导器件

短波中红外光电器件（包括调制器、探测器等）是实现通信、传感、测距等应用的关键核心组成部分，硅基光子学为开发调制器件和探测器件提供了极具发展前景的光电集成平台，近年来受到越来越多研究者的关注。该研究针对工作在2~2.5μm波段的硅基波导集成的电光调制器、热光调制器和光电探测器的研究现状进行综述和讨论。

短波中红外波段波导集成的光电器件

得益于硅基材料在短波中红外波段的高透明度、高光学非线性和成熟的CMOS制作工艺等优势，硅基光子技术有望为实现低成本、大规模单片光电子集成应用提供一种极具前景的解决方案。

未来通过开展新型红外光电材料的片上异质集成、采用亚波长结构调控片上光场特性、改进微纳加工技术降低波导器件光学损耗等方面的研究，短波中红外硅基光子学器件和系统的性能有望得到进一步提升：（1）新型的低维材料（例如，石墨烯、黑磷、二硒化钯等）在中红外波段展现了出色的光电特性。开展低维材料/硅基波导异质集成的光电探测器件和电光调制器件将是一个极具发展前景的方向。（2）基于超表面和逆向设计的方法开发波导集成的短波中红外器件有望得到快速发展。（3）不断改进的CMOS工艺与以量子理论为基础的原子及近原子尺度制造技术的结合，有望深度融合短波中红外片上光谱检测与纳米材料、凝聚态物理、化工等多交叉学科领域，实现颠覆性的重大创新应用。

该项目获得国家自然科学基金（62175179，62161160335，61805164，61805175）的支持。该研究第一作者为天津大学光电信息技术教育部重点实验室硕士生贺祺，主要从事硅基光子学方面的研究工作。

审核编辑 ：李倩