[发明专利]单片集成的中红外锗基微型谐振腔及其制作方法

说明书

本发明涉及集成光学技术领域，为提供中红外吸收光谱装置，本发明，单片集成的中红外锗基微型谐振腔及其制作方法，包括：锗基光耦合器、悬空薄膜锗基波导、悬空薄膜锗基微型谐振腔，所述的锗基光耦合器与悬空薄膜锗基波导相连，用于实现外部光源与悬空薄膜锗基波导之间的中红外光的耦合；悬空薄膜锗基波导位于悬空薄膜锗基微型谐振腔的侧面，通过倏逝场实现悬空薄膜锗基波导与悬空薄膜锗基微型谐振腔之间的中红外光的耦合；中红外光在悬空薄膜锗基微型谐振腔中产生共振，实现光场的增强输出。本发明主要应用于红外吸收光谱装置的设计制造场合。

技术领域

本发明涉及集成光学技术领域，更具体地，涉及一种单片集成的中红外锗基微型谐振腔。

背景技术

中红外吸收光谱技术是一种探测分子信息的重要方法，被广泛应用于环境监测、工业安全、生物医学、食品卫生等众多领域。在中红外光谱范围内，由于光子能量对应于物质分子的振动能级基频跃迁吸收的能量，因此中红外光子可以被物质分子强烈的吸收。特别是在分子指纹区内(波长8-15μm)，每种分子对应于一种特定的吸收光谱，人们可以根据中红外吸收光谱准确地识别物质分子的种类及含量。经过多年的发展，中红外吸收光谱已经成为技术最成熟、应用最广泛、资料积累最多的光谱技术。然而，传统的中红外吸收光谱仪是基于空间光学设备搭建，具有体积大，设备重、测量结果对环境变化的适应性差(例如，对振动和温度变化敏感)、价格昂贵等缺点，无法满足很多实际应用的需求。集成光学技术的快速发展为解决上述问题提供了极具前景的方案：通过将多个微型功能器件集成于厘米尺寸的光子芯片上，将显著地减小中红外吸收光谱仪的体积和重量，降低成本和功耗，提高系统的环境适应性，极大地拓展其使用范围。

目前，人们已经报道了基于不同材料(例如，硫化物玻璃、氟化物玻璃、三五族半导体、四族半导体等)所开发的片上集成的中红外波导器件。例如，2012年，香港中文大学的程振洲等人报道了中红外悬空硅基波导器件(IEEE Photonics Journal,4,1510-1519,2012)，针对此结构浙江大学的檀亚松等人申请了中国发明专利(201210568966.6)。2013年北京工业大学的王丽等人发明了一种使用锗镓碲硫卤玻璃材料制作的中红外波导传感器，并申请了中国发明专利(201310218339.4)；2016年电子科技大学的陆荣国等人发明了一种使用石墨烯集成的硫化物玻璃制作的中红外波导光栅，并申请了中国发明专利(201611258501.5)；2018年西安电子科技大学的王军利等人发明了一种使用氟化物玻璃制作的中红外Y型波导分束器,并申请了中国发明专利(201810080094.6)。在上述的工作中，硅基波导器件的制作工艺与微电子工业中成熟的CMOS工艺兼容性高，具有工艺成熟、制作成本低、波导光学损耗低等优点，因此，在中红外波导器件的应用中前景广阔。然而，由于材料的局限性，硅基波导并不能够应用于整个中红外波段，特别是在分子指纹区(波长8-15μm)中，硅基波导光学损耗极大，因此，需要选择一种更适合的集成平台替代硅基平台开发片上集成的中红外波导器件。