中红外（波长为2～20μｍ）集成光学在光谱分析、环境监测、医疗诊断、通信测距等领域具有广泛的应用前景。目前，中红外集成光学器件主要包括贵金属表面等离激元器件、硫系玻璃器件和“Ⅳ族”半导体（如硅，锗，锡，石墨烯等）器件等三类。其中，贵金属表面等离激元器件可以实现纳米级的光电集成，但器件的光学损耗往往较高，不利于大规模片上系统集成；硫系玻璃器件可以实现超宽光谱范围和超低光学损耗的波导器件，但其加工制作与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的兼容性较差；“Ⅳ族”半导体器件具有超宽的光谱带宽、良好的物理化学稳定性、器件制作与CMOS工艺完全兼容的优势，可实现高质量、大面积、低成本光电器件集成，并且有与通信、计算、存储等电子器件实现单片集成的发展潜力。在现有的中红外集成光电子材料中，“Ⅳ族”半导体材料具有超宽的光谱带宽、出色的光电特性、良好的物理化学稳定性、器件制作与技术兼容等优势，得到了广泛的关注。
据麦姆斯咨询报道，近期，天津大学精密仪器与光电子工程学院程振洲教授课题组在《中国激光》期刊上发表了以“中红外锗基集成光电子研究进展”为主题的综述文章。程振洲教授主要从事硅基光子学、纳米光子学及中红外光学方面的研究工作。
这项研究简要回顾了基于“Ⅳ族”材料的中红外集成光电子的发展历程，重点针对近年来新兴的中红外锗基集成光电子的器件和应用进行了综述，对中红外集成光电子的发展前景进行了展望和讨论。
在中红外集成光电子的研究中，晶圆与波导的研发是最首要的问题。与硅基材料相比，锗基材料具有更高的折射率、更宽的透明窗口以及更高的非线性折射率等优点，被认为更适合用于开发长波中红外集成光电子器件。然而，相比中红外硅基光子学，中红外锗基光子学的研究起步较晚。目前为止，已经报道了四种锗基晶圆：锗-硅（GOS）晶圆，锗-硅-绝缘体（GOSOI）晶圆，锗-氮化硅（GOSiN）晶圆以及锗－绝缘体（GOI）晶圆。其中，GOS晶圆是最早被开发的，其制作方式是利用化学气相沉积法（CVD）将锗沉积在硅上，由于锗的折射率比硅的折射率大，可以将光限制在顶层的锗基波导中。GOS晶圆制作简单，因而被广泛应用于各种中红外锗基波导器件的开发中。随后，GOSOI晶圆被开发用于研究红外锗基波导器件。相比于GOS晶圆，氧化埋层的存在使得基于GOSOI晶圆开发的光电子器件具有更好的绝热性与绝缘性，更适合用于开发热光调制器件与电光调制器件。然而，无论是GOS晶圆还是GOSOI晶圆，都面临着由锗基与硅基材料间的折射率对比度低所引起的器件尺寸较大、集成度低等问题。因此，为了提升锗基与衬底材料的折射率对比度，研究者们使用折射率较小的二氧化硅和氮化硅作为衬底开发出了GOI晶圆和GOSiN晶圆。相比氮化硅，二氧化硅材料具有更大的折射率对比度，并且材料应力较小，制作开发更为容易。值得指出的是，二氧化硅和氮化硅的光谱透明窗口较窄，从而限制了GOI晶圆和GOSiN晶圆在长波中红外波段的应用，可以采用氢氟酸刻蚀底部氧化层的方法，将锗基波导器件的光谱范围拓宽到长波中红外。
高性能中红外锗基波导器件的开发面临一定的挑战。世界上首个中红外锗基波导由瑞士洛桑联邦理工学院的研究者于2012年在GOS晶圆上实现。目前仍需要新的设计和更先进的制作工艺来设计与开发中红外的锗基波导器件。
基于锗基晶圆和波导器件，开发了多种中红外锗基无源器件，主要包括：光栅耦合器、微环谐振腔、光子晶体谐振腔、波分复用与解复用器件、偏振旋转器件以及多模干涉器件等。在中红外锗基波导无源器件的研发过程中，一个重要的障碍是基底材料，例如，二氧化硅对中红外光有着强烈的吸收。为了克服这一局限性，传统的CMOS工艺中的二氧化硅材料需要被去除或者被其他材料替代。
中红外光子芯片的光学封装是一个极富挑战性的工作。目前有两种常用的光场耦合方法：端面耦合和光栅耦合。相比端面耦合方法，光栅耦合更适用于中红外光子芯片的光学封装。此外，中红外波段的光栅具有更长的光栅周期，更利于开发亚波长结构，对于降低光栅反射率以及提升光栅效率具有重要意义。与近红外硅基光栅耦合器相比，中红外锗基光栅耦合器的效率还不尽人意。一方面，由于器件制作困难，一些用于提升近红外硅基光栅耦合器效率的方法，例如底层镀金属膜或布拉格光栅工艺，很难用于开发中红外锗基光栅耦合器。另一方面，中红外光栅的周期数比较小，增加了设计非均匀光栅的难度。
微环谐振腔是集成光电子中非常重要的无源器件之一，在光通信、光传感以及非线性光学等领域具有广泛的应用。目前已经有许多关于中红外硅基微环谐振腔及其应用的报道，包括电光调制器、光学传感器以及光学频率梳产生等，然而，由于中红外锗基波导的研究起步较晚，目前锗基微环谐振器的报道也还比较少。相比硅基器件，锗基波导的光学损耗较高，因此，高品质因子（Q值）的中红外锗基微环谐振器的开发面临着非常大的挑战。
相比于微环谐振腔，光子晶体谐振腔具有更高的品质因子与模体积比（Q/V），这使得其在增强光与物质相互作用的方面具有很强的优势。锗基光子晶体谐振腔最先在近红外波段开发设计。
有源器件（如激光器、调制器和探测器）是集成光电子的关键组成部分。为了实现锗基材料的中红外发光，一方面需要将锗基材料的带隙结构改为直接带隙，另一方面还需要减小带隙宽度，这是具有挑战性的材料工程问题。此外，锗基材料在中红外波段是透明材料，只能通过多光子吸收实现光电探测，探测效率较低。
锗基波导激光器的开发是具有挑战性的。由于锗基材料是间接带隙半导体，其发光效率非常低，无法直接将锗基波导作为激光增益介质。目前，科研工作者采用了三种方法来改进锗基材料的发光效率和增益特性。第一种方法是通过ｎ型重掺杂具有轻微双轴应变的锗基材料，实现粒子数反转。第二种方法是将锡掺入锗中制成锡锗合金。由于锡的掺杂，材料的能带结构从间接带隙变为直接带隙，提升了发光效率。但是，这两种方法都面临着激光阈值较高的问题。因此，研究者们又开发了第三种方法：利用拉伸应变改变锗基材料能带结构。施加一个强的应力不仅可以将锗基材料的能带结构改为直接带隙，还可以通过调整应力的大小来控制带隙的大小。
目前，可集成应用的中红外激光器以带间级联激光器（ICL）和量子级联激光器（QCL）为主，然而其在光谱带宽，线宽、波段等方面还有待进一步完善，并且其制作工艺与CMOS工艺不完全兼容，因此研究者们致力于采用非线性光学的方法，研究开发片上中红外相干光。锗基材料具有非常丰富的非线性效应，包括克尔非线性效应、多光子吸收、拉曼与布里渊非弹性光散射等。科研工作者对锗基材料进行了大量的研究。
中红外集成光学的研究尚处于起步阶段，相关研究主要停留在分立的器件研发阶段，片上系统集成还非常困难，具有广阔的发展空间：（1）开发高性能的无源器件；（2）开发异质集成的中红外光电器件；（3）开发中红外非线性光学和量子光学的应用；（4）开发中红外“分子指纹区”的光谱和传感应用。
该项目获得国家自然科学基金（62175179，61805175）的支持。该研究第一作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院郭荣翔。
