硅基拉曼放大器的探究進展

1、硅基拉曼放大器的探究進展摘要：光器件不僅提高了人們對大容量信息傳輸和數(shù)據(jù)高 速處理的能力，也極大的推動了社會的發(fā)展。光器件的造價 高，因此限制了其進一步的發(fā)展及應用，然而硅成本低，儲 量豐富，并且以硅材料為基礎(chǔ)的技術(shù)已成為非常成熟的集成 器件制造的工藝技術(shù)，并且很容易實現(xiàn)器件的高集成化和高 成品率。因此作為有源器件的硅基光放大器的研究已經(jīng)成為 重要的研究課題。關(guān)鍵詞：光器件放大器研究課題1、前言在光學介質(zhì)中實現(xiàn)光放大的方法主要有兩種，一種是利 用受激輻射，另一種是利用非線性效應。硅是一種間接帶隙 的半導體材料，由于電子和空穴的輻射復合效率低，非輻射 復合幾率大，同時還受雙光子吸收和自由載流子吸

2、收非線性 損耗的影響，導致其通過受激輻射的方法來實現(xiàn)光放大非常 困難。但是硅中的非線性系數(shù)，特別是拉曼散射系數(shù)卻很高, 這使通過激拉曼散射成為實現(xiàn)硅中光放大的一種有效途徑。 國內(nèi)外研究人員也對此進行了深入的研究，并取得了一些突 破性的成果2、拉曼散射拉曼散射是一種非線性效應，也是在硅中實現(xiàn)光放大的 有效方法。其實質(zhì)是泵浦光子與散射物質(zhì)分子發(fā)生了非彈性 的碰撞，在這個過程中光子和分子之間發(fā)生了能量交換。我 們將低于入射光頻率的散射光稱為斯托克斯光，高于入射光 頻率的散射光稱為反斯托克斯光。硅是一種間接帶隙的半導體材料，其輻射復合需要聲子 的參與，所以發(fā)光的效率很低，遠遠小于直接帶隙的材料， 受激

3、拉曼散射則可以有效地避免硅材料輻射發(fā)光復合幾率 低的缺點。由于硅基光子器件具有重要的應用價值，人們很 早就開展了對硅中拉曼散射效應的研究。1970年，ralston 和chang等利用yag激光器在實驗上對硅中的自發(fā)拉曼散 射效率和受激拉曼散射效率進行了研究，得到硅材料具有很 高的拉曼散射效率的結(jié)論。2002年，jalali等人對硅材料 中的自發(fā)拉曼散射系數(shù)進行了測量，測得硅中的拉曼散射系 數(shù)大約比光纖中高三到四個數(shù)量級，并且模式范圍比光纖小 100倍，這樣可以實現(xiàn)利用受激拉曼散射在較短距離內(nèi)實現(xiàn) 硅中光放大。3、硅基拉曼放大器阻礙硅波導中實現(xiàn)光放大主要是由于雙光子吸收和由 雙光子吸收導致的自

4、由載流子吸收而造成的非線性損耗。 fca是最主要的損耗，tpa對于光的損耗很小，基本可以忽 略。通過減小fca得到凈增益的主要方法有兩個，第一個是 減小自由載流子的有效壽命；第二個是采用脈沖泵浦。當脈 沖的寬度遠小于自由載流子壽命而脈沖周期遠大于自由載 流子壽命時，自由載流子的吸收損耗就可以忽略；3. 1脈沖光泵浦的硅基拉曼放大器2004年，榮海生等人第一次報道了脈沖光泵浦的硅基 拉曼放大器。增益介質(zhì)為長4. 8 cm,有效面積為1.57 um2 的硅波導。當泵浦光強為470 mw的時候，得到的凈增益是 2 db o他們采用了 1545 nm的光脈沖泵浦，脈沖間隔遠大 于自由載流子的壽命，從而

5、有效的減小了由于自由載流子吸 收造成的非線性損耗，實現(xiàn)了光放大。3.2連續(xù)光泵浦的硅基拉曼放大器連續(xù)光泵浦的硅基拉曼放大器在生活、生產(chǎn)等各個方面 都有著重要的應用，然而采用連續(xù)光泵浦會導致光生載流子 在波導內(nèi)的大量累積，這將產(chǎn)生大量的損耗，從而不易實現(xiàn) 凈增益。這其中最關(guān)鍵的因素是自由載流子擁有較長的有效 壽命。為了解決這個問題，有人提出了通過加反向偏壓和離 子注入等方法來減小自由載流子的有效壽命，這種方法取得 了突破性的進展，并且在硅波導中已經(jīng)得到了凈增益。2005年，榮海生等在硅波導中采用連續(xù)光泵浦，并且 得到了凈增益。2006年y. liu和h. k. tsang提出了在 硅波導中進行離

6、子注入來減小自由載流子壽命的方法。2006 年，jalali等又在理論上提出了基于多孔硅材料的拉曼放 大器。在多孔硅中，其多孔性和材料的能帶寬度是有關(guān)的， 通過適當?shù)母淖兤涠嗫仔?，可以使能帶寬度增加。當滿足泵 浦光子的能量小于價帶和導帶之間能量間隔的一半時，雙光 子吸收消失，那么由雙光子吸收導致的自由載流子也可忽 略，從而有效的減小了非線性損耗。并且可以使硅基拉曼放 大器的增益大幅提高。3.3中紅外波段的硅基拉曼放大器工作于中紅外波段的光子器件在生物醫(yī)學探測、遙感、 以及軍事方面都有重要應用，因此具有很高的研究價值。硅 材料在此波段具有良好的透過性，而且其能帶寬度為1.12 ev,當光波波長大

7、于2. 2 p m時，光子能量小于能帶寬度的 一半，雙光子吸收消失，由雙光子吸收導致的自由載流子也 隨之消失，使得tpa和fca非線性損耗均可忽略。這為研 制在中紅外波段工作的硅基光子器件提供了良好的條件。 2007年，jalali等第一次報道了中紅外波段的硅基拉曼放 大器。實驗中采用2. 88 p m脈沖泵浦,硅波導長度為2. 5 cm, 泵浦光強為217mw/cm2,其中得到的信號光波長為3.39 um, 增益達到12 db,這為實現(xiàn)中紅外波段的硅基光放大提供了 良好的途徑。3.4硅基拉曼放大器的噪聲噪聲是限制光放大器實際應用的主要因素，對于硅基拉 曼光放大器噪聲的分析與計算，是硅基拉曼放

8、大器實際應用 的基礎(chǔ)。2008年，jalali等通過運用量子光學的langevin 近似第一次計算了硅基拉曼放大器的噪聲。通過理論分析指 出雙光子吸收和自由載流子吸收非線性損耗是導致噪聲的 主要因素，通過減小自由載流子壽命，降低自由載流子吸收 損耗可以有效的減小硅基拉曼放大器的噪聲。其中對于通信 波段的硅基拉曼放大器（入=1. 55 p m）,當自由載流子壽命 小于0. 1 ns時，噪聲可以降到實際應用的允許范圍之內(nèi)。 而對于波長入2.2um的中紅外波段，由于不存在雙光子吸 收和自由載流子吸收非線性損耗，所以其噪聲接近理論極限 3 dbo4、總結(jié)硅基拉曼光放大器的研究具有重要的意義，其中自由載 流子吸收是阻礙硅波導中實現(xiàn)光放大的最主要因素，為了應 對這一非線性損耗的影響，可以利用脈沖光泵浦來減小自由 載流子的影響；利用離子注入和pn結(jié)反向偏壓減小自由載 流子有效壽命；或使用中紅外波段光泵浦來抑制雙光子吸 收，進而抑制自由載流子吸收損耗。