短波中紅外光學（2~2.5μm）在通信測距、衛(wèi)星遙感、疾病診斷、軍事國防等領域具有廣泛的應用。作為短波中紅外光學系統(tǒng)的關鍵核心部件，集成光電器件的開發(fā)一直都是重點的研究領域。同時隨著波長的增加，光學器件對加工工藝的最小尺寸、設計容差、加工精度等要求還將進一步降低，短波中紅外有望實現(xiàn)更低的器件開發(fā)成本。得益于硅基材料超寬的光譜透明窗口，其在開發(fā)短波中紅外集成光電子器件方面極具發(fā)展前景，近年來獲得了廣泛的關注。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，天津大學光電信息技術教育部重點實驗室程振洲教授、華中科技大學武漢光電國家研究中心余宇教授和深圳大學物理與光電工程學院王佳琦助理教授共同合作在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“短波中紅外硅基光子學進展”為主題的綜述文章。通訊作者（導師）程振洲教授主要從事硅基光子學方面的研究工作，余宇教授主要從事光電子集成器件、光通信方面的研究工作，王佳琦助理教授主要從事硅基光子學和光纖傳感器方面的研究。

這項研究簡要回顧了短波中紅外硅基光子學的發(fā)展歷程，從無源波導器件（包括波導、光柵耦合器、微型諧振腔、復用/解復用器等）、非線性光學波導器件和光電波導器件（包括調制器和探測器等）三方面綜述了短波中紅外硅基光子學的發(fā)展歷史和前沿進展。

短波中紅外波段硅基微型諧振腔器件

無源波導器件是硅基光子學的基石，多種類型的短波中紅外硅基光學器件包括波導、光柵耦合器、微型諧振腔、復用/解復用器件等。器件結構和性能的改進為實現(xiàn)低成本、高密度、多功能的短波中紅外光電器件片上集成奠定了基礎，有望惠及光通信、光互連、光學傳感和非線性光學等多個領域。

硅基材料具有高折射率（~3.45@2μm波長）和高克爾非線性系數(shù)（~1.1×10?17m2/W@2μm波長）的特點，并且在短波中紅外波段的雙光子吸收系數(shù)較低，因此，在短波中紅外非線性光學器件的研發(fā)和應用方面潛力巨大。目前，多種非線性光學效應已經(jīng)在短波中紅外硅基器件中被研究探索，并用于研發(fā)新型的片上中紅外光源，包括四波混頻（FWM）、光參量放大（OPA）、光參量振蕩（OPO）、超連續(xù)譜產(chǎn)生（SCG）和克爾光頻梳（KFC）等。

短波中紅外波段非線性光學波導器件

短波中紅外光電器件（包括調制器、探測器等）是實現(xiàn)通信、傳感、測距等應用的關鍵核心組成部分，硅基光子學為開發(fā)調制器件和探測器件提供了極具發(fā)展前景的光電集成平臺，近年來受到越來越多研究者的關注。該研究針對工作在2~2.5μm波段的硅基波導集成的電光調制器、熱光調制器和光電探測器的研究現(xiàn)狀進行綜述和討論。

短波中紅外波段波導集成的光電器件

得益于硅基材料在短波中紅外波段的高透明度、高光學非線性和成熟的CMOS制作工藝等優(yōu)勢，硅基光子技術有望為實現(xiàn)低成本、大規(guī)模單片光電子集成應用提供一種極具前景的解決方案。

未來通過開展新型紅外光電材料的片上異質集成、采用亞波長結構調控片上光場特性、改進微納加工技術降低波導器件光學損耗等方面的研究，短波中紅外硅基光子學器件和系統(tǒng)的性能有望得到進一步提升：（1）新型的低維材料（例如，石墨烯、黑磷、二硒化鈀等）在中紅外波段展現(xiàn)了出色的光電特性。開展低維材料/硅基波導異質集成的光電探測器件和電光調制器件將是一個極具發(fā)展前景的方向。（2）基于超表面和逆向設計的方法開發(fā)波導集成的短波中紅外器件有望得到快速發(fā)展。（3）不斷改進的CMOS工藝與以量子理論為基礎的原子及近原子尺度制造技術的結合，有望深度融合短波中紅外片上光譜檢測與納米材料、凝聚態(tài)物理、化工等多交叉學科領域，實現(xiàn)顛覆性的重大創(chuàng)新應用。

該項目獲得國家自然科學基金（62175179，62161160335，61805164，61805175）的支持。該研究第一作者為天津大學光電信息技術教育部重點實驗室碩士生賀祺，主要從事硅基光子學方面的研究工作。

審核編輯 ：李倩