[发明专利]一种用于分子检测的宽带红外复合光波导及其制备方法

说明书

本发明属于集成非线性光学技术领域，涉及光波导结构，更具体地，涉及一种用于分子检测的宽带红外复合光波导及其制备方法。包括至少两层波导单元，波导单元与波导单元之间层叠设置组合为复合光波导结构，所述的波导单元由下至上依次包括基底层、硫系玻璃下波导层、低折射率中间夹缝层以及硫系玻璃上波导层。本发明通过优化本发明提出的光波导结构，实现宽带的相位匹配，通过四波混频效应将中红外波段分子特征信号转换至通讯波段，并通过通讯波段价格低、高性能探测器实现中红外的分子信号探测，解决了中红外探测器昂贵、分辨率低、信噪比低、需要冷却系统等难题，为中红外分子检测提供了可行的片上实现方案。

技术领域

本发明属于集成非线性光学技术领域，涉及光波导结构，更具体地，涉及一种用于分子检测的宽带红外复合光波导及其制备方法。

背景技术

高精度、高灵敏度的分子检测在国防、生物、医药、工业等领域中具有广泛的需求。红外频谱分析作为一种分子检测的有效手段，可以探测识别不同分子结构在红外波段的独特吸收峰，尤其是在中红外波段，分子的吸收峰通常比在近红外波段的更加强烈。然而，目前的中红外探测器普遍具有低分辨率、低信噪比等劣势，且为了降低暗电流噪声，通常需要配备庞大繁杂的冷却系统，无法适应不同的应用场景。

中国专利CN107037661B，公开日期为2017年08月11日，公开了一种中红外光波导结构，在结构中可以实现泵浦光和三次谐波之间基模与基模间的转换，有效的提高了非线性系数，有利于高校的获得中红外光，但是欧姆损耗大，需要配备庞大繁杂的冷却系统，无法适应不同的应用场景。

为解决这一问题，可以通过光纤或片上波导中的四波混频效应，将中红外的分子频谱信号转换到通讯波段，再利用通讯波段成熟高性能的探测器来探测信号。然而，这一新型方案的实施面临两大挑战：一是要求材料同时具备较高的透过率和较大的非线性；二是为了实现宽带的四波混频过程，需要波导器件在宽带范围内具有平坦低色散的特性。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种用于分子检测的宽带红外复合光波导，利于实现低成本、高精度的探测。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于分子检测的宽带红外复合光波导，包括至少两层波导单元，波导单元与波导单元之间层叠设置组合为复合光波导结构，所述的波导单元由下至上依次包括基底层、硫系玻璃下波导层、低折射率中间夹缝层以及硫系玻璃上波导层。

本发明基于复合光波导结构中的四波混频效应，将中红外分子信号转移至通讯波段。本发明提出的光波导结构可以实现宽带的波长转换，用于实现中红外的分子信号探测，解决了中红外探测器分辨率低、信噪比低、需要冷却系统等难题，为中红外分子检测提供了可行的片上实现方案。

进一步的，所述的硫系玻璃下波导层和硫系玻璃上波导层的折射率均高于中间夹缝层的折射率。

作为优选的，所述的硫系玻璃上波导层和硫系玻璃下波导层均为硫系玻璃材料，包括硫化砷As2S3、Ge-As-Se、Ge-As-Se-Te、Ge-Sb-Se、Ge-Sb-S或Ge-As-S。硫系材料的透光波段宽、非线性系数高、双光子吸收效应低且非线性响应快，是片上集成非线性光学器件的极佳的材料平台。除此之外，硫系材料成膜特性好、在强光下性质稳定，适合作为非线性光波导的材料选择。另一方面，多层复合光波导结构为色散设计提供了更高的自由度，可以更好地实现宽带平坦低色散曲线。

作为优选的，所述的中间夹缝层的材料包括二氧化硅、氟化镁或氮化硅。

进一步的，所述的复合光波导结构的整体色散曲线在1.2～5微米波段范围内近零且平坦。

进一步的，低色散系数的带宽能够覆盖近红外通讯波段和中红外分子特征吸收峰波段。

作为优选的，平坦低色散为色散系数变化不超过±20ps/nm/km。