1　引言

中红外波段(2.5 µm~25 µm)包含绝大多数分子的振动和旋转吸收谱线，该波段也称为指纹吸收区，这使得中红外波段在分子光谱应用方面(如气体传感、环境监测和疾病诊断等)具有重要意义。分子指纹吸收区中3 µm~4 µm、5 µm~7.5 µm和8 µm~11 µm波段分别属于氢键、碳键、碳-氧与碳-氮键的特征吸收区，长波长13 µm~20 µm波段是有机分子如有机金属键、卤化键和芳香族键的特征吸收区^[1]。中红外光子学的应用还包括工业过程控制^[2]，激光雷达领域超连续谱光源反映目标的光谱强度信息^[3]以及光通信领域的自由空间光通信、切片光谱用于波分复用系统^[4-6]。中红外激光光源可通过量子级联激光器、光参量放大、产生超连续谱等方法实现。其中量子级联激光器通常用于13 µm~20 µm的波段，然而量子级联激光器的发射带宽相对较窄，这限制了其在中红外分子振动区的光谱应用。另一种思路是在磷锗锌(ZnGeP₂)、硒镓锂(LiGaSe₂)和硒化镓(GaSe)等非线性晶体中通过光参量放大的方式输出相干中红外激光，但ZnGeP₂、LiGaSe₂和GaSe等非线性晶体的吸收边界分别为11 µm，12 µm和17 µm^[7]，限制了更长波长中红外激光的产生。除此之外，还可以在非线性晶体波导中产生中红外超连续谱，该方法具有光谱覆盖范围广、不需要种子光和成本低等优点。例如近年在单模和多模硫化物光纤中，分别以7 µm和6.3 µm泵浦可以获得1.4 µm~16 µm的超连续谱输出^[8-9]。可通过半导体集成技术对中红外波长无吸收的材料加工，制作片上非线性波导，进一步拓展光谱覆盖范围，增强设计自由度，降低阈值，缩小尺寸，提高可靠性和降低成本等。

目前，有许多关于超连续谱片上集成系统的研究，例如硫族氧化物玻璃波导^[10-11]、铌酸锂波导^[12]和周期性极化铌酸锂波导^[13]。成熟的半导体生长工艺为片上器件的研究提供了有力保障^[14]。Kippenberg等人采用先进的半导体生长技术，在硅(Si)衬底上生长高质量的氮化硅(Si₃N₄)薄膜，并结合CMOS集成技术，实现了2.5 µm~4 µm的中红外超连续谱输出^[15]。除此之外，利用Si集成波导可以产生2 µm~6 µm的超连续谱^[16-17]。然而，Si₃N₄和Si分别对超过5.5和8 µm的波长具有强吸收特性，这限制了它们的超连续谱光谱向更长波长展宽。在IV族半导体材料中，锗(Ge)具有较大的非线性系数，同时透射范围可以延伸到15 µm，这使得Ge有望成为Si的替代材料^[18-20]。近年来，Ballester等人报道了在Si基底上制作Si-Ge混合材料的波导结构，通过改变两种材料的混合比例来控制折射率，将模场束缚在Ge占比高的波导层内，实现了3 µm~13 µm的超连续谱输出^[14]。迄今为止，没有波长超过13 µm的片上超连续谱的报道。

碲化镉(CdTe)是II-VI族半导体材料，具有0.86 µm~25 µm^[21]超宽的透射范围，同时具有较大的非线性系数，在1.55 µm和5.5 µm处的非线性系数n₂分别为~ 5×10⁻¹⁷ m²/W^[22]和2×10⁻¹⁷ m²/W^[23]，比Si的非线性系数大接近一个量级，且比Si₃N₄的非线性系数大两个量级^[24]，这使CdTe成为产生中红外超连续谱的理想材料。L. Tong等人使用中心波长1550 nm、脉冲宽度为100 fs的激光作为泵浦，在直径为500 nm的CdTe纳米线中产生了1200 nm~1800 nm的超连续谱，该工作证明了在CdTe波导中产生超连续谱的可行性^[25]。但该CdTe纳米线具有较小的纤芯直径，并且第二个零色散波长位于1800 nm附近，这决定了该波导无法应用于中红外波段。幸运的是片上集成波导可以通过灵活的改变波导形状控制波导色散，在近期的理论模拟工作中，设计了基于低折射介质硫化镉(cadmium sulfide, CdS)衬底的一个宽20 µm、高8 µm的中红外CdTe片上集成波导，其在中红外波段具有平坦且较小的反常色散。通过仿真发现，采用中心波长为9 µm、脉宽为 200 fs、峰值功率为15 kW的激光器作为泵浦，仅需要2.5 mm长的波导就可以产生3.5 µm~20 µm的超宽带超连续谱，光谱强度大于−34 dB^[26]。生长高质量CdTe薄膜的工艺以较为成熟，通过磁控溅射法能够短时间内沉积较厚的CdTe多晶薄膜，由于该生长工艺具有成本低、生长速度快和生长均匀等特点，被广泛应用于太阳能电池等领域^[27]。结合先进的半导体制造工艺可以制造出超宽透射范围的中红外波导，这为突破13 µm的中红外片上超连续谱的瓶颈带来了希望。

本文考虑薄膜生长与半导体加工工艺限制，设计并加工了一种基于CdTe为芯层、低折射率介质CdS为缓冲层、Si为衬底的波导。采用有限元法和广义非线性薛定谔方程(generalized nonlinear Schrödinger equation, GNLSE)仿真了宽和高分别为20 µm和8 µm的CdTe波导的传输损耗、色散曲线及超连续谱展宽光谱。当CdS层厚度为5 µm时，以中心波长为5.5 µm，脉冲宽度为250 fs，峰值功率为15 kW的中红外激光泵浦该CdTe波导，能够实现4.1 µm~9.7 µm的超连续谱。实验中采用磁控溅射法在Si衬底上依次生长4.7 µm厚的硫化镉(CdS)层和8.5 µm厚的CdTe层；之后利用湿法刻蚀制作宽度为22 µm的CdTe中红外集成波导，总长度为1 cm，波导侧壁与衬底之间的夹角为90°，本工作首次制作出了高质量大尺寸中红外片上CdTe波导。实验采用重复频率为500 kHz，中心波长为1030 nm的激光器作为泵浦源，通过焦距为40 mm的凸透镜将泵浦耦合波导中，观测到有明显的光谱展宽现象，仿真的光谱形状与实验测得的光谱吻合。本工作为CdTe集成波导实现超过13 µm的超连续谱奠定了实验基础，并为长波长中红外片上集成光学领域提供了新的思路。

2　波导设计

CdTe是成熟的半导体材料，能够生长出高质量的薄膜，结合先进的半导体制造工艺，可以制作出大尺寸的中红外波导。以Si作为衬底，设计的CdTe集成波导结构如图1(a)所示。由于CdTe的折射率(n~2.68)小于Si的折射率(n~3.6)，无法满足全反射条件，因此需要在CdTe与Si之间添加一层低折射率介质层作为缓冲层。CdS (n~2.4)具有比CdTe低的折射率，同时也是太阳能电池的常用材料，能够生长出高质量薄膜^[21]。在最近的通过CdTe波导实现中红外超连续谱的理论研究中，我们了解到采用15 µm厚的CdS层能够有效地降低波长在20 µm附近因Si/CdS/CdTe结构引起的传输损耗，实现宽带的中红外超连续谱展宽。宽度为20 µm左右、高度为8 µm的CdTe波导中的TE模式在6 µm~20 µm具有平坦的群速度色散(< 30 ps/nm/km)，因此能够实现中红外超连续谱输出^[26]。

图 1. 片上集成CdTe波导的设计与仿真。(a) 基于CdTe/CdS/Si的波导三维结构图，CdTe波导的宽度(W_CdTe)、高度(H_CdTe)和CdS层的厚度(H_CdS)分别为20 µm、8 µm和5 µm；(b) 不同厚度(3 µm、5 µm、10 µm、15 µm) CdS层造成的传输损耗；(c) 高和宽分别为20 µm和8 µm的CdTe内TE模式的总色散和模场束缚比例；(d) 以5.5 µm、15 kW脉冲作为泵浦，波导内产生的超连续谱光谱；(e)、(f) 分别为脉冲在长为1 cm的CdTe波导内传输的时域脉冲和频域光谱演化图

Fig. 1. Design and simulation of the on-chip integrated CdTe waveguide. (a) The 3D structure diagram of the CdTe/CdS/Si waveguide. The width (W_CdTe), height (H_CdTe), and thickness (H_CdS) of the CdTe waveguide are 20 µm, 8 µm, and 5 µm, respectively; (b) The propagation loss caused by the CdS layers with different thickness (3 µm, 5 µm, 10 µm, and 15 µm); (c) Total dispersion and mode confinement ratio of the TE mode in CdTe with 20 µm height and 8 µm width; (d) The SCG in the waveguide pumped with 5.5 µm, 15 kW pulse; (e) and (f) are the time-domain pulse and frequency-domain spectral evolution diagrams of the pulse propagated in a 1 cm-long CdTe waveguide, respectively

下载图片 查看所有图片

然而Si，CdS和CdTe的晶格常数分别为0.543 nm，0.583 nm和0.6477 nm，因此衬底与各薄膜之间存在一定的晶格失配，这使得薄膜之间存在着大量应力。若薄膜生长过厚则会导致在后续刻蚀加工中薄膜发生脱落，为了避免这种情况的发生，实际制作中我们适当减少CdS层的厚度至5 µm。通过有限元法仿真宽和高分别为20 µm和8 µm的CdTe波导在不同的CdS层厚度下TE模式的传输损耗如图1(b)所示，当CdS层厚度为5 µm时，在CdTe波导的传输波长能够延伸到10 µm。在产生超连续谱的过程中，波导的色散和非线性系数对光谱的展宽宽度取决定性作用。利用有效折射率可以计算出波导在波长为3 µm~10 µm范围内的总色散，该色散包括波导色散和材料色散，其中材料色散由Sellmeier方程提供^[28-31]。波导总色散与有效折射率的关系式为

1D=−λc∂2neff∂λ2,

式中：λ为波长，c为真空中的光速，n_eff为有效折射率。如图1(c)中所示，波导的零色散点在波长为5 µm处，同时在中红外波段有较平的总色散。由于CdTe具有很高的三阶非线性电极化率χ⁽³⁾，在波长5.5 µm处非线性折射率n₂约为2×10⁻¹⁷ m²/W，因此CdTe波导具有较大的非线性系数。非线性系数定义为

2γ=ω0n2cAeff,

式中：ω₀为光波的角频率，n₂为CdTe的非线性折射率，A_eff为有效模场面积。计算可得CdTe波导的非线性系数为0.28 W⁻¹m⁻¹。当使用零色散波长附近5.5 µm处泵浦CdTe波导时，反常色散会平衡自相位效应而形成孤子传输，可以在传输过程中保持高的峰值功率并持续产生新的频率成分展宽光谱形成超连续谱，采用分步傅里叶法求解GNLSE仿真CdTe波导产生的超连续谱^[31]。GNLSE为^[32]

3∂A∂z+α2A−∑k≥2ik+1k!βk∂kA∂Tk=iγ(1+iω∂∂T)|A|2A,

式中：A为脉冲包络，α为波导的传输损耗，β_k为色散系数。

图1(d)中展示了为以泵浦波长、峰值功率和脉冲宽度分别为5.5 µm、15 kW和250 fs的激光经过1 cm的CdTe波导后输出的超连续谱光谱。如图1(e)所示，脉冲在CdTe波导中传输进行自压缩，随后在3 mm处发生孤子裂变产生超连续谱。图1(f)展示了脉冲在CdTe波导传输过程中的频谱演化过程，最终产生了4.1 µm~9.7 µm宽的超连续谱。波长大于10 µm的中红外激光能量在以5 µm厚的CdS层作为缓冲层时具有较大损耗，因此很难展宽到更长波长中红外波段。若继续增加CdS层的厚度到15 µm，能够实现3.5 µm~20 µm超宽的中红外超连续谱激光输出。

3　实验与结果

3.1　薄膜生长与波导加工

在实验中，我们通过磁控溅射法在Si衬底上依次生长了厚度为4.7 µm和8.5 µm的CdS和CdTe薄膜，生长温度均为230 ℃，生长时间分别为6 h和5 h。CdTe中红外集成波导制作流程如图2(a)所示，具体制作流程如下：第一步，采用酒精和丙酮依次清洗CdTe样品表面，去除表面污染物；第二步，在CdTe样品表面均匀涂抹光刻胶(AZ1500)；第三步，在110 ℃温度下前烘90 s，然后冷却到室温；第四步，采用光刻机(URE-2000/35)曝光7 s，曝光辐照强度为17 mW/cm²；第五步，将样品在110 ℃温度下后烘90 s，使光刻胶坚固地附着在样品表面，以免刻蚀中途脱胶；第六步，将样品浸入刻蚀液中，刻蚀大约30 min，刻蚀液由水、磷酸和硝酸组成，其成分比例为29∶70∶1^[33]；第七步，用丙酮清洗样品表面残留的光刻胶。最后切割波导两端，得到较为平整的波导截面。实验做出的波导尺寸与仿真设计的略有差异，波导的长、高、宽分别为1 cm、8.5 µm和22 µm。如图2(b)所示，波导端面较为平整，表面存在细长的晶粒。由于晶粒排布特性，纵向刻蚀速率远大于横向刻蚀速率，这使得CdTe波导侧壁与CdS层之间的夹角接近90°。波导表面形貌如图2(c)所示，多晶CdTe波导上表面和侧壁存在凹凸不平的微小结构，直径大小为100 nm~200 nm，这种粗糙的表面会造成瑞利散射从而导致传输损耗，边界散射造成的传输损耗对于长波长的影响要远小于短波长。例如，宽0.3 µm、高0.25 µm的多晶TiO₂波导表面存在50 nm~100 nm大小的粗糙晶粒，波长在826 nm处的传播损耗为2 dB/mm，而1550 nm处的传播损耗仅为0.42 dB/mm^[34]。由于CdTe具有很大的非线性系数，这使得CdTe波导能够在很短的作用距离内实现较宽的光谱展宽，因此该CdTe波导的粗糙度导致的散射损耗对于中红外波段影响微弱。

图 2. 波导制作流程图和波导电镜表征图。(a) 波导制作流程图；(b) 波导端面形貌图，波导高度和宽度分别为8.5 µm和22 µm，波导侧壁与CdS层之间夹角为90°；(c) 波导侧面与顶面形貌图

Fig. 2. Waveguide fabrication flow chart and scanning electron microscope images. (a) The waveguide fabrication flow chart; (b) The waveguide surface topography. The height and width of the waveguide are 8.5 µm and 22 µm, respectively. The angle between the side wall of the waveguide and the CdS layer is 90°; (c) The side and top topography of the waveguide

下载图片 查看所有图片

3.2　实验结果

实验装置如图3(a)所示。采用中心波长为1030 nm、重复频率为500 kHz、脉冲宽度为250 fs的飞秒激光器(奕力科技，YF-FL-50-200-IR)作为泵浦源，光谱宽度为15 nm。通过焦距为40 mm的CaF₂透镜(LBTEK，CX70609)聚焦到波导端面，聚焦后光斑直径约为20 μm。波导被固定在特殊的夹具上，可以实现x，y，z三个方向的调节。由于CdTe具有较强的二阶非线性性，波长为1030 nm的飞秒激光在波导中传输时会产生波长为515 nm的倍频信号，同时由于波导侧壁存在散射损耗，实验时能观察到波导发出明亮的绿光。在波导的输出端后使用焦距为40 mm的CaF₂透镜收集信号，并使用焦距为100 mm的CaF₂透镜(LBTEK，CX70613)将产生的超连续谱聚焦进光纤中，利用光谱仪(YOKOGAWA, AQ6370D)实时观测光谱展宽情况。

图 3. (a) 实验装置图，插图为波导内波长为1030 nm的TE模式图；(b) 不同泵浦功率下波导输出的展宽光谱

Fig. 3. (a) The experimental setup diagram. The inset shows the field distribution of the TE mode at 1030 nm wavelength in the waveguide; (b) The broadened spectrum from the waveguide at different pump power

下载图片 查看所有图片

由于TE模具有较小的群速度色散和较小的传输损耗，因此调节泵浦光偏振与波导的长边平行，使得在波导内传输的是TE模。然而CdTe在近红外波段具有巨大的正常色散，通过仿真得到该波导在波长为1 μm附近的群速度色散为-3510 ps/(nm·km)，因此飞秒脉冲在波导内传输时，首先通过自相位调制效应由中心波长向两侧对称地展宽光谱，然后在波导内巨大的正常色散作用下，脉冲宽度被迅速展宽导致峰值功率迅速降低，从而抑制光谱持续展宽。图3(b)绘制了光谱仪收集到的信号光谱，可以发现随着入射的泵浦功率逐渐增加，非线性展宽效应愈发明显，光谱对称地由中心波长向两侧展宽，泵浦的峰值功率为160 MW时，能够获得1000 nm~1070 nm的展宽光谱。

3.3　理论验证

在此采用前文使用的非线性薛定谔方程仿真在CdTe中的自相位调制光谱展宽与实验进行对比，CdTe在波长1030 nm处非线性折射率n₂约为5×10⁻¹⁷ m²/W，计算可得CdTe波导在1030 nm波长处的非线性系数为3.97 W⁻¹m⁻¹。采用GNLSE仿真CdTe波导内基于自相位调制产生的光谱展宽，设定以波长1030 nm作为泵浦时的波导传播损耗为5 dB/mm^[34]。峰值功率为5 kW~20 kW下的光谱输出如图4(a)所示，光谱从中心波长对称地向两侧展宽，该形状与实验测得的光谱形状几乎一致。图4(b, d, f, h)与4(c, e, g, i)分别反应了光脉冲在波导中传播和光谱演化过程，由于光谱展宽仅在波导前端很短的距离内发生，因此图4中仅展示了波导长度为2 mm内的脉冲和光谱演化。随着新的频率分量产生，由于巨大的群速度色散，初始脉冲被迅速展宽，同时伴随着传输损耗，峰值功率迅速下降，能够产生SPM的有效距离约为0.2 mm左右。由于我们采用的泵浦光带有一定的啁啾，同时实验采用的是多晶CdTe波导，这与仿真中的单晶CdTe波导略有差距，因此光谱细节略有差异，但总体趋势一致。

图 4. 基于GNLSE求解在CdTe波导内的自相位调制导致的光谱展宽。(a) 使用1030 nm波长进行泵浦，不同峰值功率(5 kW~20 kW)下波导的输出的光谱；(b), (d), (f), (h) 是超连续谱产生过程的时域演化图；(c), (e), (g), (i) 是超连续谱产生过程的频域演化图

Fig. 4. Spectral broadening caused by self-phase modulation (SPM) in the CdTe waveguide based on GNLSE. (a) The output spectrum of the waveguide at different peak power (5 kW~20 kW) pumped at 1030 nm wavelength; (b), (d), (f), (h) The time-domain evolution diagrams of SCG process; (c), (e), (g), (i) The frequency-domain evolution diagrams of the SCG process

下载图片 查看所有图片

由于该波导在中红外波段具有平坦的反常色散，并且理论上具有更小的传输损耗，若采用中红外激光泵浦该片上集成CdTe波导能够产生宽带的中红外超连续谱。然而，要实现中红外超连续谱不仅需要稳定高效的中红外飞秒激光光源，同时需要有效的中红外光谱收集手段，目前仍有诸多挑战。本文验证了CdTe波导加工的可行性，为通过其实现超越13 µm的超连续谱奠定了基础，由于该波导同时具有良好的透过率与巨大的非线性效应，可应用于其他片上中红外非线性器件中。

4　结论

综上所述，本文设计并首次制作了CdTe中红外片上集成波导。采用有限元法求解模式理论仿真，设计了在中红外波段具有较小且平坦的反常色散曲线的CdTe集成波导。进一步采用分步傅里叶法求解GNLSE模拟了以泵浦波长为5.5 µm，脉冲宽度为250 fs，峰值功率为15 kW时波导产生的4.1 µm~9.7 µm宽的超连续谱。实验采用磁控溅射法生长出高质量的CdTe薄膜，通过湿刻工艺成功制作了CdTe多晶波导，并在中心波长为1030 nm的激光器泵浦下观测到明显的自相位调制效果，在160 MW泵浦功率下能获得1000 nm~1070 nm的展宽光谱，并且仿真与实验结果吻合。该工作为CdTe集成波导实现中红外超连续谱提供了实验基础，进一步改善镀膜工艺，增加中间层解决CdS与CdTe、Si材料的晶格失配问题，解决中红外飞秒泵浦光源问题，有望实现波长长至20 µm的超连续谱，产生中红外光频梳，实现不同分子的高灵敏度、高分辨率中红外指纹谱探测，应用于复杂材料甄别、组份定量分析、痕量探测等。同时，中红外超连续谱光源的实现在很多领域都有重要应用，如生物医学领域的光学相干断层扫描实现组织病变检测和三维立体成像等，环境监测领域的气相探测，激光雷达领域的识别目标光谱强度信息，光通信领域的波分复用系统等。