中红外集成光子学近年来因其广泛的关键应用而备受关注，如危害探测，大气中红外自由空间数据传输，光谱学，天体光子学或军事成像。
法国的纳米科学与纳米技术中心首次研究了在工业规模200mm晶圆上生长的中红外梯度SiGe光子电路的光学特性 ^[1]。为此，采用低传播损耗的波导在5至11 μm波长范围内制造，允许宽带操作，损耗与许多应用兼容。为了进一步提高该平台在长波红外波段的性能，对其传输损耗的来源进行了深入的研究。 在所使用的设备中，梯度SiGe层采用8微米厚的均匀分布梯度层。其中，Ge的浓度从4%增加到79%，随厚度从4μm增加到79μm而线性递增，每毫米约为10%。该层在200毫米的Si001基底表面生长，该层最终厚度为2.5μm。扫描透射电子显微镜（STEM）图像展示了梯度层的整个结构和Ge浓度随位置的变化关系图。通过扫描电子显微镜能量散射X射线谱仪（EDS），对整个梯度层进行了能量散射分析，结果表明该线性增长的Ge浓度在数值上是一个很好的近似。

法国研究团队使用了4个量子级联激光器（QCL）芯片作为光源，这些芯片位于一个外部腔（MIRCAT系统，Daylight Solutions）中，工作在脉冲状态（100 kHz重复频率，500 ns脉冲宽度），范围从5.08 μm到11.21 μm。从该系统发出的光被耦合到先前使用ZnSe非球面透镜描述的螺旋波导中，并在输出处使用类似的透镜收集。他们使用的光斑分析设备是DATARAY的WinCamD-IR-BB。

图a给出了实验装置的示意图，图b给出了在6.6 cm长的波导输出处采集的TE模式在模式分析器上拍摄的图像。对于激光系统中四个不同的QCL中的每一个，发射的光被耦合到给定长度的波导中，然后收集输出信号，一旦使用模式分析器确保正确的耦合，就会发送到HgCdTe探测器以测量输出的归一化功率。输入和输出对准在每个QCL的增益频谱的中心位置进行，然后测量输出信号的强度，而输入波长扫过给定QCL的输出频谱。该测量是针对每个QCL和可测量的波导长度进行的。

计算侧壁粗糙度、自由载流子吸收和多声子吸收的模型用于计算SiGe波导中的传播损耗。

团队使用了从模拟传播损耗（也就是研究的所有所关注的贡献之和）出发来定义传播损耗，结果以黑体画出在上图中。结果显示，在5到9微米的范围内，这个模型给出了一个不错的估算。然而，在9微米以上的波长范围内，实验测量与理论模型之间存在一个差值低于2分贝每厘米。除此之外，还列举了几个可能的原因来解释这一差异。首先是模拟模型没有考虑梯度层中的残余应变——该模型未考虑梯度层中残余应变，它会影响晶格结构的散射关系，并从而影响多波吸收。然而，目前没有相关的研究探讨多波吸收与SiGe alloys中的缺陷的关系。其次可能是梯度层中存在缺陷，在这种情况下，缺陷可以对较大的光子波长产生更多影响，因为光学模式的尺寸增加，从而与这些缺陷发生重叠。但对缺陷密度与传播损耗之间的关系进行精确量化是十分困难的。

综上所述，本文制备了Ge-掺杂SiGe光学波导，覆盖了5到11微米的所有波长范围。在5到7微米的范围内，损失量低于0.5dB/cm。一直到11微米，损失值仍控制在合理范围内。而且损失量可以进一步减小，通过减少p型掺杂的残留浓度到低于2×1014/cm³的水平，但这种处理可能相对困难。此外，可以通过使用掺杂补偿技术将波导转换为n型或无掺杂状态来降低传播损耗，这在Si和Ge中都表现良好。

Dataray中红外光束质量分析仪

Dataray的WinCamD-IR-BB是专为红外波段设计的相机型光束分析仪，可分析MWIR与FIR范围内的光束质量，具有高灵敏度。

WinCamD-IR-BB采用氧化钒（VOx）微测热辐射计，可探测波长范围达2-16µm，在像素尺寸17x17µm的情况下靶面范围有10.88x8.16mm，并拥有640x480的分辨率。

WinCamD-IR-BB拥有USB3.0接口，可以直接连接电脑并使用专用的Dataray软件进行光斑轮廓以及光束信息的分析与记录。

中红外光谱仪与光源
NLIR 2-5 μm 中红外光谱仪采用了一种新颖的测量结构。该结构基于上转换技术，可以将中红外光转为近可见光。近可见光硅基探测器在探测能力、速度、噪声等方面的性能都远优于中红外探测器。
NLIR的长波长光谱仪的原型版本覆盖7.6 μm 至12.0μm（1316 cm-1至833 cm-1）。该光谱仪目前具有50 Hz的全光谱读出速率和10 cm-1的分辨率,全孔径曝光时灵敏度为200 pW/nm（-67 dBm/nm）。

瑞士Arcoptix公司红外光谱仪具有小巧紧凑，高性价比，高分辨率，宽波长范围，高灵敏度等优点。近红外光谱仪覆盖范围达900-2600nm，紫外覆盖型号则可以扩展到200-2600nm，而中红外专用款式则可以检测到2-16μm波段范围内。

Arcoptix傅里叶变换红外光谱仪与光栅光谱仪不同，不会受到二阶三阶衍射谱的影响。没有增益波动、暗电流波动和像素缺陷，适用于光纤系统以及空间光系统。

Arcoptix也提供波长范围覆盖近红外（0.4-4µm）和中红外（1-25µm）的两款光源，带有可卸载的光纤耦合器，可以在自由空间光或者光纤耦合输出中随意选择。

 

参考

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.