硅基拉曼激光器淺談

蘇紅新 耿一王番 關(guān)澤琳

(河北大學(xué)物理學(xué)院 河北 保定 071002)

硅是理想的電子材料，它不僅在地殼中含量豐富成本低廉而且應(yīng)用成熟的CMOS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)硅器件的高集成化和高成品率.在信息時代為了實現(xiàn)超高容量的信息儲存、信息傳遞和超高速度的信息處理，都要求用光子取代電子來作為信息的載體.為了實現(xiàn)這一目的就需要將光通信器件和微處理器件集成在同一硅基上.為了實現(xiàn)光電一體化，在眾多硅光子器件中硅激光器是不可惑缺的.通常,人們認(rèn)為硅材料是不能成為制作激光器的材料, 因為它是一種間接帶隙半導(dǎo)體.到目前為止，利用受激拉曼散射效應(yīng)實現(xiàn)硅器件中光的放大和激光的產(chǎn)生是最為理想的方式，因此硅基拉曼激光器在硅光子學(xué)研究過程中具有廣闊的前景.

硅波導(dǎo)是硅基拉曼激光器的增益介質(zhì)，對其起著至關(guān)重要的作用.它的制備可以通過使用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)在硅基上蝕刻出一個“脊”或“溝”來實現(xiàn).目前硅波導(dǎo)按其形狀可以分為，直線型結(jié)構(gòu)，S型結(jié)構(gòu)，環(huán)形結(jié)構(gòu).

1 硅材料中的拉曼散射

拉曼散射(Raman scallering)是光通過介質(zhì)時入射光與分子運動相互作用而引起散射光頻率發(fā)生變化(位移也相應(yīng)發(fā)生變化)的散射.拉曼散射中，不僅光子的動量要發(fā)生改變，其能量也要發(fā)生改變.其原因是入射光子與分子碰撞時，入射光子與分子交換能量，使分子的振轉(zhuǎn)能級發(fā)生改變，從而散射出不同能量的光子.散射光子能量低于入射光子能量的散射叫做斯托克斯散射；散射光子能量高于入射光子能量的散射叫做反斯托克斯散射.硅材料中的拉曼散射是一種非線性光學(xué)現(xiàn)象，只有高功率密度的光入射硅材料才會出現(xiàn)較強的拉曼散射光.在此過程中高能量密度的泵浦光被硅材料吸收并轉(zhuǎn)換為激光能量，同時硅材料完成振轉(zhuǎn)能級間的躍遷，這樣就克服了硅材料發(fā)光效率低的缺點.

2 硅波導(dǎo)為直線型硅基拉曼激光器

2004年，根據(jù)受激拉曼散射效應(yīng)，Ozdal Boyraz等人首次驗證了硅基拉曼激光器[1]，他們使用直線型硅波導(dǎo)作為增益介質(zhì)，并將硅波導(dǎo)整合到一個光纖環(huán)狀腔內(nèi)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，泵浦光通過波分復(fù)用器耦合進環(huán)狀光纖諧振腔內(nèi).硅波導(dǎo)后是一個分波器，將光進行分離，95%的光經(jīng)環(huán)狀腔重新耦合進諧振腔.在輸出端用波分復(fù)用器對剩余的光進行分離，分離出泵浦光和波長為1 675 nm信號光.最后用示波器、光譜分析儀和自相關(guān)器對信號光進行分析.激光器的發(fā)射波長為1 675 nm，頻率為25 MHz,斜率效率為8.5%，泵浦閾值功率為9 W.

圖1 直線型硅波導(dǎo)硅基拉曼激光器

3 硅波導(dǎo)為S型硅基拉曼激光器

2005年，榮海生等研制成功了第一臺全硅拉曼激光器[2]，其硅波導(dǎo)為S型結(jié)構(gòu)，總長度D為4.8 cm，波導(dǎo)寬W為1.5 μm、高H為1.55 μm、蝕刻深度h為0.7 μm.將硅波導(dǎo)制成S型可以減小硅片尺寸，便于硅器件的集成.榮海生等人首次在硅波導(dǎo)兩側(cè)摻雜形成pin結(jié)，圖2為硅波導(dǎo)截面圖，通過在硅波導(dǎo)兩側(cè)加反向偏置電壓，來減少硅波導(dǎo)內(nèi)的自由載流子濃度，從而抑制自由載流子對激光的吸收.當(dāng)pin結(jié)兩側(cè)反向偏置電壓為25V時，激光閾值為0.4 mW，斜率效率為9.4%.

圖2 具有反向偏壓的pin型二極管硅波導(dǎo)截面圖

2005年，榮海生等人在脈沖光泵浦硅基拉曼激光器的基礎(chǔ)上成功實現(xiàn)了激光器的連續(xù)光輸出[3].其結(jié)構(gòu)如圖3，1 550 nm的泵浦光通過偏振控制器、解復(fù)用器、透鏡光纖耦合進入硅波導(dǎo)，在波導(dǎo)內(nèi)激發(fā)出斯托克斯光，在硅波導(dǎo)后端面處泵浦光和斯托克斯光又反射回透鏡光纖、解復(fù)用器，通過低通濾波器分離出斯托克斯光，最后使用光譜分析儀和激光功率計分析記錄斯托克斯光.他們使用S型硅波導(dǎo)作為增益介質(zhì)，不僅實現(xiàn)了連續(xù)光輸出，還獲得了穩(wěn)定的單模激光，邊摸抑制比大于55 dB，輸出譜線寬度小于80 MHz.激光的輸出功率和激光的斜率效率與pin結(jié)反向偏置電壓有關(guān)，當(dāng)偏置電壓為2.5 V時，閾值為180 mW，斜率效率為4.3%.

圖3 S型硅波導(dǎo)硅基拉曼激光器實驗裝置

4 硅波導(dǎo)為環(huán)形的硅基拉曼激光器

2006年，榮海生等研制出了環(huán)形硅波導(dǎo)腔[4]，不僅提高了激光的轉(zhuǎn)化效率，而且將激光器的性能大幅提升.2008年，榮海生等又研制成功了由硅材料制造，通過環(huán)形硅波導(dǎo)腔實現(xiàn)的級聯(lián)拉曼激光器[5].它成功地將硅基拉曼激光器的激光波長延伸到中紅外區(qū)，工作波長可達(dá)1 848 nm.如圖4，泵浦光耦合進波導(dǎo)腔激發(fā)出第一級斯托克斯光，第一級斯托克斯光不斷振蕩產(chǎn)生增益從而激發(fā)出第二級斯托克斯光，這個過程可以一直進行下去.當(dāng)泵浦功率達(dá)到80 mW時，激發(fā)出第一級斯托克斯光；當(dāng)泵浦功率達(dá)到120 mW時，激發(fā)出第二級斯托克斯光.在這個過程中第一級拉曼散射的斜率效率為6%.當(dāng)?shù)诙壦雇锌怂构猱a(chǎn)生后，波導(dǎo)腔內(nèi)第一級斯托克斯光功率可達(dá)3.5 mW.第二級拉曼散射斜率效率為2.7%,出射光功率大于5 mW.

圖4 硅基級聯(lián)拉曼激光器示意圖

近年來，對硅基發(fā)光光器件的研究取得了積極進展，但尚不完善，需要對硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化.硅基拉曼激光器的研制成功具有劃時代的意義，它的進一步完善促進了硅基光電集成技術(shù)的發(fā)展，也使光子取代電子作為信息的載體實現(xiàn)超高容量的信息儲存、信息傳遞和超高速度信息處理成為可能.

參考文獻(xiàn)

1 Ozdal Boyraz，Bahram Jalali.Demonstration of a silicon Raman Laser.Optics Express，2004,12(22)：5269～5273

2 Haisheng Rong，Ansheng Liu，Richard Jones，et al.An all-silicon Raman Laser.NATURE，2005，433(20)：292～294

3 Haisheng Rong，Richard Jones，Ansheng Liu，et al.A continuous-wave Raman silicon laser .NATURE，2005，433(17)：725～727

4 Haisheng Rong，Ying-Hao Kuo，Shengbo Xu，et al.Monolithic integrated Raman silicon laser.Optics Express，2006,14(15)：6705～6712

5 RONG H，XU S ODED C，et al.A cascaded silicon Raman laser.Nature photonics，2008，2(3)：170～174