硅材料在1.1~8.5μm有非常低的吸收损耗，因此硅基光电子学有望扩展到中红外波段。并且随着通信窗口扩展、气体分子检测、红外成像等应用需求的出现，硅基中红外波段器件研发工作的开展势在必行。
在中红外波段硅基光电子器件中，硅基调制器有着举足轻重的地位：它是长波光通信链路中不可或缺的一环，还可以应用在片上传感系统中提高信噪比、实现光开关等功能。研究发现，相比于近红外波段，硅和锗材料在中红外波段有更强的自由载流子效应和热光效应，因此，基于硅基材料的中红外调制器具有独天得厚的优势。
据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室成步文研究员课题组在《红外与激光工程》期刊上发表了以“中红外硅基调制器研究进展”为主题的综述文章。成步文研究员主要从事硅基光电子方面的研究工作。
这项研究系统总结了中红外硅基调制器的发展趋势和研究现状，介绍了基于硅和锗材料的电光调制器以及热光调制器的工作原理和最新研究进展，最后对中红外硅基调制器进行了总结与展望。
电光调制器可以分为两种，一种是注入型（载流子注入型），一种是耗尽型（载流子耗尽型）。其中注入型调制器的波导中掺杂浓度较低，通过对PN结正向偏置，注入载流子，提高载流子浓度，从而改变电流注入区波导的折射率和吸收系数，实现光调制。耗尽型调制器则在波导结构中有较高的载流子浓度，当给PN结加反向偏压时，结区被耗尽，载流子浓度降低，波导折射率和吸收系数改变，实现光调制。
除电光调制外，热光调制也是硅、锗调制器的主要调制机理。热光调制主要利用材料的折射率会受温度影响的原理，通过改变器件温度，进而改变折射率来调节光的损耗和相位，从而实现对光的调制。热光调制器的响应速度非常低，主要应用到传感系统等不需要快速通信的场景中。热光相移器的消光比和功耗是主要关心的问题，需要进一步地创新改进。
中红外波段有着独特的特征使得其在传感、生物分子检测、安全等领域都有广泛的应用前景。更重要的是它拥有3~5μm、8~12μm两个大气窗口，可以用来解决随着5G时代到来而带来的数据量传输量急剧增大的问题，与近红外波段相比，中红外的信息安全性更高。高速、低损、低功耗的调制器是光通信和片上传感系统中至关重要的一部分，在中红外波段硅和锗材料的自由载流子等离子色散效应更强，因此，发展中红外硅基调制器具有可行性和良好的应用前景。
目前，硅基中红外调制器的发展距离实用化仍有较长的距离，特别是锗基材料的相关工艺尚不成熟，使得高性能的中红外调制器大多采用纯硅的SOI衬底，难以进一步扩展使用波长。因此，高性能的中红外调制器的发展不仅需要器件结构上的创新，还需要对锗基材料的标准化工艺进行深入的研究。此外，随着中红外分立器件的研制成功，相信中红外硅基光电子片上集成芯片和系统在不久的将来也会相继面世。
该项目获得国家重点研发计划（2018 YFB2200103）和国家自然科学基金（61774143，61975196）的支持。该研究第一作者为中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室博士生牛超群，主要从事中红外无源器件、光电调制器方面的研究工作。
