中紅外集成光子傳感系統(tǒng)研究進展

近年來，中紅外(波長范圍2~20μm)集成光子學(xué)因其潛在的應(yīng)用場景如吸收光譜、熱成像、自由空間光通信等而受到了廣泛的關(guān)注。中紅外波段包含了多個大氣透明窗口，有著作為氣體傳感應(yīng)用的先天優(yōu)勢，并且得益于近紅外成熟的器件設(shè)計測試流程與微納加工技術(shù)，一些近紅外的應(yīng)用也能夠較快地拓展至中紅外波段。

此外，集成光子器件在一些傳感應(yīng)用中不僅可以做到媲美傳統(tǒng)設(shè)備的靈敏度，同時還具有低功耗、低成本、結(jié)構(gòu)緊湊，易于與其他設(shè)備集成的特點。因此，中紅外集成光子傳感器件在未來將會在工業(yè)檢測、科學(xué)研究、醫(yī)療診斷、軍事安防、民用生活等領(lǐng)域中不斷發(fā)揮出重要的作用。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，上海科技大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院鄒毅研究員課題組在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“中紅外集成光子傳感系統(tǒng)研究進展”為主題的綜述文章。鄒毅研究員主要從事集成光子學(xué)方面的研究工作。

這項研究主要對中紅外集成光子傳感平臺進行了回顧，對中紅外傳感系統(tǒng)的三個主要部分：傳感單元、光譜儀和探測器做出了簡要介紹，展示了目前中紅外集成光子傳感器件的研究進展，并對其未來發(fā)展做出了展望。

中紅外集成片上傳感系統(tǒng)

傳感單元：基于中紅外光學(xué)的傳感單元擁有高靈敏度、高選擇性，響應(yīng)快且長期運行穩(wěn)定的特點，目前已經(jīng)有單層蛋白質(zhì)檢測、甲烷檢測、重水檢測、溫室氣體檢測等各類化學(xué)、環(huán)境、生物檢測應(yīng)用。中紅外片上傳感單元依據(jù)集成類型可以分為面內(nèi)以及面外兩種。更進一步，也可以分成使用硅、鍺IV 族材料和使用硫系玻璃、氮化鋁等其他材料的傳統(tǒng)波導(dǎo)型傳感器件，以及表面等離激元共振型傳感器件。

中紅外波導(dǎo)傳感器件

在面內(nèi)傳感器件中，光波通常沿芯片上的波導(dǎo)進行傳播，這樣的設(shè)計有利于高度的單片集成。絕大部分使用硅、鍺IV 族材料和使用硫系玻璃、氮化鋁等其他材料的傳統(tǒng)波導(dǎo)型傳感器件都屬于面內(nèi)傳感器件，還有一些表面等離激元傳感器件也可以歸入該類型。

中紅外環(huán)形諧振器傳感器件

面外傳感器也是很常見的片上集成傳感器件。在面外傳感器件中，基于超表面結(jié)構(gòu)的傳感器件是很常見的一類。超表面是一種具有周期性亞波長結(jié)構(gòu)的人工材料，基于超表面結(jié)構(gòu)的光學(xué)傳感器件一般需要通過解析面外照射光的透反射譜來完成分析物檢測，因此大多都屬于面外器件。在中紅外波段，硅基及其他材料的超表面研究正在逐步展開，相比之下現(xiàn)階段更為成熟的面外中紅外傳感器件主要基于等離激元共振原理。它們以稍弱的集成能力為代價，展現(xiàn)出許多有趣的性能。

中紅外面外傳感器件

中紅外片上光譜儀：對于集成在片上的中紅外光譜儀結(jié)構(gòu)，主要分為以下幾種：濾波-光譜重建光譜儀，空間外差法光譜儀以及雙光梳光譜儀。濾波光譜重建光譜儀，由于其能夠以較小的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)較大的光程(如諧振腔) 或不同的光譜響應(yīng)，所以通常其具有結(jié)構(gòu)更緊湊的特點，但具體需要根據(jù)光譜儀本身結(jié)構(gòu)特征探討其優(yōu)缺點?；诳臻g外差法的傅里葉變換光譜儀，具有高光通量和高信噪比的特點，但為了實現(xiàn)更長的光程，通常需要較大的結(jié)構(gòu)面積。雙光梳光譜儀利用光梳在時間域的相干拍頻，對相干結(jié)果做光譜求解，通常能夠以較小的面積進行高精度的光譜檢測，但其對光梳生成和探測速度的要求也相應(yīng)較高。

重建型光譜儀

空間外差傅里葉變換光譜儀

雙光梳光譜儀原理及結(jié)構(gòu)示意圖

中紅外集成光電探測器：光電探測器作為光強度信息獲取的工具，在整個通信和傳感系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。其可以作為片上傳感如光譜儀，傳感單元等信號收集端，也可用于雷達(dá)等設(shè)備的接收后端，作為數(shù)據(jù)采集的工具。目前報道的中紅外的探測器材料主要有HgCdTe合金、III-V材料、二維材料、IV族材料等。

部分吸收材料光學(xué)響應(yīng)范圍

當(dāng)前報告最多的集成光電探測器探測方式主要為面外探測器，多用于焦平面陣列，紅外成像，遙感等領(lǐng)域。波導(dǎo)集成作為探測器的另一種設(shè)計方式，可通過絕熱耦合、光柵耦合等方式，加強光與吸收材料的交互，導(dǎo)出光強信息。

中紅外集成光電探測器

總體來說，中紅外波段是理想的傳感波段。同時由于波長比近紅外更長，中紅外器件的微結(jié)構(gòu)特征尺寸所需工藝要求通常更低，使得工藝與制造更加容易。然而，目前中紅外平臺仍面臨著一些不可忽視的問題。例如，第一，相較于更加成熟的近紅外平臺，中紅外器件在傳播損耗、插入損耗等性能方面還有很多可以提升的空間;第二，中紅外光源、傳感單元、中紅外光電探測器的單片集成問題亟待解決，雖然許多器件的性能表現(xiàn)優(yōu)異，但能夠與之完全單片集成的光源和探測器目前還尚未達(dá)到商業(yè)化水平，這限制了中紅外傳感系統(tǒng)走出實驗室環(huán)境和大規(guī)模向工業(yè)，軍事和民用等領(lǐng)域普及;最后，許多除了傳統(tǒng)硅基材料外的中紅外平臺相關(guān)研究正在展開，在此情景之下，如何權(quán)衡新材料帶來的優(yōu)秀性能和CMOS 加工工藝兼容上的困難，并同時做到與硅基平臺相近的成本等難題仍待解決。但是這些問題并非無法克服，相信在研究人員的努力下，中紅外傳感將于未來能夠在信息科學(xué)、天文、物聯(lián)網(wǎng)、生命，可穿戴等科學(xué)、軍事、工業(yè)和民用領(lǐng)域，發(fā)揮出重要的作用。