（光学专业论文）硅基拉曼激光器的研究.pdf

南开大学学位论文使用授权书 j j j j j j f j i j j j j j j f | j j j | j j f j j j i j j 删 y 1814 3 0 6 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范同内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 苴宝 2 0 1 0 年5 月2 5 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目硅基拉曼激光器的研究 姓名曹字学号 2 1 2 0 0 7 0 1 0 5 答辩日期2 0 1 0 年5 月2 5 日 论文类别博士口学历硕七硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所物理科学学院 专业光学 联系电话1 3 6 7 2 1 5 9 2 2 5 e m a i l c a o y u m a i l n a n k a i e d u c a 通信地址( 邮编) ：天津市卫津路9 4 号南开大学5 教2 0 7 室 备注：无是否批准为非公开论文 否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重卢明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的研究 成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已 公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 曹宇2 0 1 0 年5 月2 5 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申请和相关部 门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本说明为空白。 论文题目 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 4 2 0 年) 保密期限 2 0 年月日至2 0年月日 审批表编号批准日期 2 0 年月 日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 摘要 摘要 近年来，现代光通信网络技术不断的发展，而光网络系统的高造价和铜线 传输的速度极限成为了制约未来通信网络发展的瓶颈。硅的制作工艺成熟，成 本低，容易实现集成化，因此硅基光器件的研究是未来光通信网络进步发展 的迫切需要。作为硅基光器件之一，硅基拉曼激光器成为了研究热点。硅基拉 曼激光技术的完善与成熟，将使低成本的全光交换网络成为可能，使未来的计 算机内部实现万亿比特( t b ) 量级的光学数据通路连接，引导电子计算机、通信、 显示等信息技术以及环境监测、医疗等光子学技术发展到一个全新的阶段。本 论文主要从以下两个方面开展了研究： 一对不同腔结构的硅基拉曼激光器进行了理论研究 建立了直线形谐振腔硅基激光器、环形谐振腔硅基激光器、级联硅基拉曼 激光器的理论模型，考虑硅波导中双光子吸收、自由载流子吸收等非线性效应， 推导了硅基拉曼激光器中泵浦光和拉曼光的速率方程，得到了硅基拉曼激光器 的输出功率表达式。 通过i l k a t l a b 对硅基拉曼激光器进行了数值模拟，对影响激光器输出特性的 各项参数进行分析和计算。得到了激光器的输入输出功率曲线、反射率或耦合 率对输出特性的影响、自由载流子寿命对输出特性的影响等曲线，并对拟合实 验结果进行了理论分析。综合模拟结果，实现了对各种腔结构的硅基拉曼激光 器的输出特性优化设计方法。优化后显著提高了激光器的输出特性。 二硅基拉曼激光器的实验研究 通过调研了解国际上硅基拉曼激光器的实现方法，结合本实验室的条件设 计硅基拉曼激光器的实验装置示意图，购买实验所需器材并按实验装置示意图 搭建实验光路。 以直线形谐振腔硅波导和环形谐振腔硅波导为激光器增益介质，结合第二 章理论模拟分析结果选取适当参数，对硅基拉曼激光器进行实验研究。得到不 同腔结构的硅基拉曼激光器的输入输出特性曲线并对实验结果进行理论分析。 关键词：硅基器件，双光子吸收，硅基激光器，喇曼散射 a b s t r a c t i nt h ep a s tf e wy e a r s ，m o d e mo p t i c a ln e t w o r kc o m m u n i c a t i o n i sd e v e l o p i n gr a p i d l y m e a i l 、v h i l et h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kr e a c h e di t sb o t t l en e c kw i t h t l l ef a c tt h a tt h eh i g hp r i c ea n dt r a n s m i s s i o ns p e e dl i m i to fc o p p e r o t h e r w i s e ，s i l i c o n i sa1 0 wp r i c em a t e r i a lw i t hm a t u r ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n dv e r ye a s yt oi n t e g r a t e s os i l i c o no p t i c a ld e v i c e sa l eb e c o m i n gv e r yi m p o r t a n t f o r t h ef u t u r eo p t i c a l c o m m i u l i c a t i o nn e t w o r k a so n eo ft h ei m p o r t a n tc u t t i n g e d g es i l i c o no p t i c a ld e v i c e ， s i l i c o nb a s e dl a s e ri sd r a w i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s s i l i c o nb a s e dl a s e rw i l lm a k e t h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka c h i e v ee x t r e m e l yh i g ht r a n s m i s s i o ns p e e d ( t b ) w i t hv e r yl o wc o s t ，l e a de l e c t r o n i cc o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n ，m e d i c a lt e c j l l l o l o g y , e l e c t r o - p h o t o n i ct oa w h o l en e wl e v e l t h i sd i s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e so nt h et b l l o w i n g t w o a s p e c t s ： 1 t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho ns i l i c o nr a m a n l a s e rw i t hd i f f e r e n tt y p ec a v i t i e s t h et l l e o r e t i c a lm o d e l so fl i n ec a v i t ys i l i c o n r a m a nl a s e r , r i n gc a v i t ys i l i c o n r 锄a nl a s e r c a s c a d e ds i l i c o nr a m a nl a s e ra r ee s t a b l i s h e d ，c o n s i d e r i n gt w op h o t o n a b s o r p t i o ne f f e c ta n df r e ec a r r i e ra b s o r p t i o n ，e t c w es i m u l a t e dt h es i l i c o nr a m a nl a s e ru s i n gm a t l a b ，a n di n v e s t i g a t e d p a 船m e t e r s ，i i 】n u e n c e so nt h es i l i c o nl a s e r , s u c ha sp u m pp o w e r , r e f r a c t i o n ，l i f e t i m eo f f r e ec a r r i e r , e t c u s i n gs i m u l a t i o nr e s u l t s ，w eo p t i m i z e dt h ep a r a m e t e r so f t h es i l i c o nr a m a nl a s e r t h ec h a r a c t e ro ft h el a s e ro u t p u ti ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d 2 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho f s i l i c o nr a m a nl a s e rw i t hd i f f e r e n tt y p eo fc a v i t i e s l i n ec a v i t ya n dr i n gc a v i t ys i l i c o nr a m a nl a s e ra r ed e m o n s t r a t e d u s i n g t h e n u m e r i c a lr e s u ha b o u ts i l i c o nr a m a nl a s e r s ，t h ec h a r a c t e ro ft h el a s e ro u t p u t i s i n v e s t i g a t e d k e yw o r d s ：s i l i c o nd e v i c e s ，s o i ，s i l i c o na m p l i f i e r , r a m a ns c a t t e r i n g n 目录 目录 第一章绪论1 第一节硅的结构和发光特性2 1 1 1 半导体材料的能级结构2 1 1 2 硅发光局限性4 第二节硅激光器的发展历程6 1 2 1 实现硅发光的方法6 1 2 2 拉曼硅基激光器9 第三节本论文的主要研究内容。1 3 第二章拉曼硅激光器的理论研究1 4 第一节硅中拉曼效应及硅基拉曼激光器理论模型。1 4 2 1 1 硅中的拉曼效应。1 4 2 1 2 硅基拉曼激光器理论模型1 8 第二节硅基拉曼激光器的理论分析。2 3 2 2 1 线形腔硅基拉曼激光器理论分析2 3 2 2 2 环形腔硅基拉曼激光器理论分析。31 第三节硅中非线性损耗对激光输出产生的影响。3 8 2 3 1 非线性损耗对激光输出的影响一3 8 2 3 2 改进方法。4 3 第四节级联硅基拉曼激光器的研究。4 4 2 4 1 级联硅基拉曼激光器理论模型4 5 2 4 2 级联硅基拉曼激光器理论分析4 7 第五节本章小结5 0 第三章拉曼硅激光器的实验研究5 1 第一节硅基拉曼激光器的实验光路设计。5 l 第二节硅基拉曼激光器的实验研究。5 3 3 2 1 硅基拉曼激光器实验装置5 3 3 2 2 泵浦光的耦合5 4 3 2 3 硅基激光器的实验研究。5 6 i i l 目录 第三节本章小结。5 9 第四章总结6 0 参考文献6 2 致谢6 5 个人简历6 6 i v 第一章绪论 引言 第一章绪论 硅是微电子器件制造中应用得最广泛的半导体材料。硅集成电路的应用改 变了当代世界的面貌，也改变了人们的生活方式，全球制造的半导体9 5 以上、 集成电路的9 9 都是用硅晶体材料制造的。在硅材料上发展起来的集成电路已 成为发展电子计算机、通信和自动控制等信息技术的关键。与此同时，集成电 路电子器件的铜材料的传输瓶颈日益明显，光器件的硅基化成为未来光通信产 业和微电子产业继续向前高速发展的保证。硅基的光电子集成以及光集成将满 足未来高速大容量信息传输处理的要求，将大大地提高信息传输速度和处理能 力，将使电子计算机、通信和显示等信息技术发展到一个全新的阶段。而作为 光源的硅基激光器的研制便成为硅光子器件的重要课题。 首先，硅基光器件的研制及应用能够解决光网络系统的成本问题，在新一 代的光通讯系统中有着重要意义。光纤通信网络的发展把信息的传输速度和传 输容量都推到了极高的水平，给人们的生产、生活和学习方式都带来了革命性 的变化。然而，光网络的发展在2 0 0 0 年达到高峰后，却以罕见的坡度滑落到2 0 0 3 年的低谷。专家们认为，光网络系统的造价太高，远大于用户的承受能力，是 其中最重要的原因之一。光网络系统的造价主要取决于系统中光器件的成本， 而低成本的实现则需要生产的规模化、自动化和器件的集成化。硅则是降低成 本的最理想的材料，它不但蕴藏丰富，而且已经发展出非常成熟的c o m s 集成 器件制造工艺技术，可以很容易的实现器件的高集成化和高成品率。因此，光 器件的硅基化是光网络重现蓬勃发展的必然途径。 其次，以硅为发光材料制作激光器便于利用传统工艺实现单片集成硅光电 路，对提升数据处理、传输速度等性能上的提升有着划时代的意义。在微电子 产业发展中，目前主流微处理器的主频都已经达到1 g h z 以上，据估计，摩尔定 律还会有效十年以上，届时处理器的主频将达到1 0 g h z 以上。理论上，铜线信 号传输的损耗包括趋肤效应损耗和介质损耗，这两种损耗和传输频率呈指数关 系，随着频率的增加，这种损耗将呈指数增加。对于现有的铜线传输技术，1 0 g h z 第一章绪论 已经达到了极限。受损耗、辐射、串扰等因素的影响，即使数据率可以再提高， 遇到的技术困难和制作成本也很难让用户接受。那么当c p u 主频按照摩尔定律 发展到1 0 g h z 以后，谁来接替传统铜线联接的地位，为c p u 输送足够快的数据 呢? 光是一种好的选择，用光作载波，将有5 0 t 左右的可用带宽用来调制数据。 光传输还具有高带宽、低失真、无串扰等特点，即不同波长的光可以通过同一 条光纤进行传输，而空间上多数光可以同时通过一个点而互不干扰，这为各种 形式的复用提供了可能。这些优势都是铜线作为传输介质所无法比拟的。 用光作为载体进行数据传输是未来科技发展的趋势，微电子器件的硅基化 既是光通信产业发展的必然方向也是微电子产业前进的必然途径。由集成电路 向集成光路的转变，可以克服传统的“电子瓶颈”，使光子技术的各种优势应用 于生产和生活的各个方面。于是，近些年来，各种用途各种领域的硅光子器件 的开发和研究成为了科学发展的前沿。包括硅基光源、光传导、调制、控制、 探测等在内的硅光子学得到了蓬勃的发展。 可见，硅激光器的研究将在崭新的硅光子学方面开辟新的研究领域，为我 国光电子技术与激光技术的发展提供新的方向，为以信息产业为代表的高科技 光子技术产业提供新的经济增长点。作为与标准硅制作工艺兼容的、在硅材料 中实现激光激射的主要方法，硅基拉曼激光技术的完善与成熟，将使低成本的 全光交换网络成为可能，使未来的计算机内部实现万亿比特f i b ) 量级的光学数据 通路连接，引导电子计算机、通信、显示等信息技术以及环境监测、医疗等光 子学技术发展到一个全新的阶段。 第一节硅的结构和发光特性 在各种各样的半导体材料中有很多材料被用来制作激光器，然而作为几乎 是在集成电路等等方面应用最为广泛的半导体硅材料却很少被用来制作激光 器，可以说是令人惊讶的，是什么造成了本来最应该用来制作激光器的硅材料 没能成为激光器的增益介质，而同时其他i i i 、v 族半导体却广泛的用来制备激 光器呢，原因要从半导体材料特别是硅材料自身的基础特性例如能级特点、发 光效率、非线性效应等等说起。 1 1 1 半导体材料的能级结构 2 第一章绪论 一般说来，在原子结构中，原子核外的电子按照一定的壳层顺序排列，每一 壳层只能容纳一定数量的电子，并且每个壳层上的电子分别都具有各自不同的 能量值，也就是说电子按壳层轨道不同能级分布。 在晶体中大量的原子聚集在一起，彼此之间距离很近，致使相邻原子的最 外壳层交叠很多，而内壳层交叠较少，壳层交叠使电子不再局限于某个单独的 原子上，而可能转移到相邻原子的相似壳层上去，再从相邻原子运动到更远的 原子壳层上去，从而将可能在整个晶体中运动。这种现象称为电子的共有化运 动。 由于各原子间的相互作用，晶体中电子做共有化运动时，对应于原来孤立 原子的每一个能级便在晶体中形成了多条靠得很近的能级，称为能带。 能 臻 升 商 图1 1 原子能级示意图 能带中电子按能量从高到低的顺序依次占据能级。与最外层价电子能级对应 的能带称为价带。价带上方是未被电子占据的空能带。价电子到达该空带后将 能参与导电，因此又称为导带。价带和导带之间不存在能级的能量范围叫做禁 带，亦称作带隙。带隙反映了固体原子中最外层束缚电子变为自由电子所需的 能量，因此决定了固体的导电特性。 蒂 带 警 蔡 、，t，、 嶷 瀵 第一章绪论 咎羧接管辩 图1 2 直接、间接带隙结构示意图 k 9 ) 溺援彩缘 磊磅 由于半导体材料结构的不同，可将其分为直接带隙半导体材料和间接带隙半 导体材料，如图1 2 所示：直接带隙半导体材料( i i i 、v 族半导体) 就是导带最 小值( 导带底) 和满带最大值在k 空间中同一位置。电子要跃迁到导带上产生 导电的电子和空穴( 形成半满能带) 只需要吸收能量，因此可以电子和空穴可 以有效的复合从而发光，所以是理想的制备激光器发光介质材料。而间接带隙 半导体材料的导带最小值( 导带底) 和满带最大值在k 空间中处于不同位置。 形成半满能带不仅需要吸收能量，还要改变动量，即需要声子的配合，因而间 接带隙半导体材料的发光效率低下，不适宜用来制备激光器。 1 1 2 硅发光局限性 硅材料便是一个具有间接带隙结构的半导体。如图1 3 所示，由于硅的导 带和价带的极值位于不同的k 位置，电子不能在价带与导带间进行直接跃迁， 因此电子和空穴的本征复合( 辐射复合) 必须有声子的参与，属间接跃迁，是 一个二级过程，发射概率比直接跃迁要低很多。 4 第一章绪论 一一 e n e r g y 雕 j i a b s | m d 脚 r ，、，、，、厂、， 舟o 耐 图1 3 硅的带隙结构示意图 硅的间接带隙半导体结构决定了其自身的辐射复合的效率很低，这意味着 硅中电子空穴对的辐射寿命很长，大约在毫秒量级。但这并不是限制硅发光的 本质原因，事实上也有很多激光器的增益材料具有长的辐射寿命。硅中存在的 问题是，在等待电子空穴对产生辐射复合的这段时间内，电子和空穴都各自产 生移动，而移动的过程中一旦遇到材料缺陷或杂质等，便会产生大量的非辐射 复合，在硅中，典型的非辐射复合寿命是纳秒量级。通常一种物质的发光能力 是由材料的内部量子效率( 即电子空穴对产生受激辐射复合的概率与电子空穴 对再复合的概率之比) 决定的。硅中的非辐射复合效率远比辐射复合效率高很 多，因而内部量子效率大约为1 0 石，这就是为什么硅材料很难利用受激辐射产生 发光的原因。近些年来人们研究了很多方法来克服硅材料难以发光的困难，大 多是通过各种方法来降低载流子产生非辐射复合的概率。 还有另外两个现象限制了硅材料的光放大作用。第一个现象是双光子吸收 效应( t p a ) 。双光子吸收现象是指在泵浦激光的作用下，硅材料介质同时吸收 两个光子的能量，通过一个中间虚能级的帮助实现导带价带间电子的跃迁的非 第一章绪论 线性效应。在硅中双光子吸收这个光程并不产生辐射光输出，相反会产生大量 再复合寿命相对很长的电子空穴对，这使得泵浦光的部分功率并不能实现有效 的受激辐射，即在一定程度上抑制了硅材料中的光放大作用。 同时，有双光子吸收现象所产生的自由载流子还会带来额外的硅材料发光 损耗，成为自由载流子吸收效应( f c a ) 。自由载流子的吸收作用可看作是载流 子吸收了光子的能量后，与晶格原子相互作用，又将能量传递给晶格。自由载 流子吸收效率与硅中自由载流子密度n f c 、入射光波长入有关，口。芘1 0 8 玎衍五2 。 另一个个现象是俄歇复合，电子和空穴复合时将多余的能量传给另一导带 中的电子或空穴( 实际上是传给价带中的另一电子) ，获得能量的另一载流子再 将能量己声子的形式释放出去，回到原来的能量水平，这种形式并不伴随发射 光子，是一种非辐射复合。俄歇复合发生的概率与材料中受激载流子密度an 成 正比，同时与半导体材料的带隙能量宽度成反比。在硅中，俄歇复合概率与受 激载流子密度a1 1 3 成正比，因为这是一个同时有三个粒子参与的现象。俄歇复 合的寿命f 。= l c a n 2 ，在硅中c o c1 0 3 0 c m 6 s 一。在硅材料中存在大量的载流 子注入时，俄歇复合便成为硅发光的障碍。 这两种过程都使得硅材料中的能量转化为晶格的振动，变成热量而耗散了。 由此可见硅的发光效率很低，这限制了硅基材料在光发射器方面的应用，所以 制作性能稳定的硅基激光器成为极具挑战性的课题。 第二节硅激光器的发展历程 由于硅是间接带隙半导体材料，受双光子吸收、自由载流子吸收、俄歇复合 等现象的影响，故利用平常制作一般半导体激光器的“受激发射”原理是行不 通的。从根本上诱使硅材料实现光放大需要使用非线性效应或者量子效应。国 内外许多科研机构、实验室都在寻找各种可行的途径实现硅基激光器。 1 2 1实现硅发光的方法 近些年来，硅材料发光的研究成为了国际上的研究热点，很多研究小组提 出了各种各样的解决办法。 ( 一) 体材料硅 6 第一章绪论 体硅( b u l ks i l i c o n ) 是最简单的形式硅材料，一般来说，人们普遍认为体 硅不可能成为很好的发光材料，然而近些年来的研究显示体硅在适当条件下也 是可能发光的。 2 0 0 1 年，澳大利亚的研究小组【2 】将一些自由载流子寿命较长的太阳能电池 反接，并设计特殊结构提高光子的导出效率，同时减小电极( 掺杂区域) 的厚 度以降低自由载流子吸收的影响，在2 0 0k 的温度下获得了插头效率( 即输出光 功率与电源驱动功率之比) 高于l 的硅基发光器件，成为最引人注目的研究成 果。但该器件仍未能实现硅基的激光发射。 同年，英国科学界n g 等人【3 】采用位错( d i s l o c a t i o n ) 工艺，并利用传统超大 规模集成( u l s i ) 技术在室温下实现了硅材料的高效发光，外量子效率达到( 2 o o 1 ) xl o 4 。他们通过设计可控位错环，在硅材料中引入一个三维的应力场， 利用此应力场来改变硅的能带间隙，提高其发光效率。但这种方法仍然无法避 免俄歇复合和自由载流子吸收造成的阻碍粒子数反转的问题。 ( 二) 纳米硅晶体 纳米硅晶体( s in a n o c r y s t a l s ) 是近些年来随着纳米技术的发展，出现的一 种新型硅材料。纳米硅晶体具有新的量子现象，有着独特的光学和电学特性。 硅纳米晶体的制作工艺为，首先通过沉积、溅射、离子注入、离子簇蒸镀方法 或技术，在硅氧化物或氮化物材料上富集大量的硅，然后在对该材料进行退火 实现部分相分离，这样就会在硅氧化物( 或氮化物) 中形成众多的纳米量级的 硅晶体。 蝴 删p 。俐鲫。潞s e c 黼 霎鬟篓蜀搠瀚 彭，j7 t _ 二j ，。一厶馥蝴g 遴蓬麓篓荔蠢缯 $ 1 k ：0 1 3 , x ；r lo ；的e 二 。删； ，：守一5 i # c ”o c 三淼 一一。 施1 七i 弋5r i m b m 饼黟_ o j g 图1 4 硅纳米晶体的制作过程示意图 7 第一章绪论 由于硅纳米晶体是一种低维材料，具有很强的量子限制效应，可以有效提 高材料的发光辐射几率，与此同时，在硅纳米晶体周围的大量氧化物( 或氮化 物) 在空间上限制了自由载流子的运动，减少了其达到非辐射复合中心的可能 性，降低了发生非辐射跃迁的几率，从而提高了发光辐射的内量子效率。此外， 由于硅氧化物( 或氮化物) 与空气的折射率差比硅与空气的折射率差要小，这 有利于提高光子的抽取效率，因此采用硅纳米晶体进行硅基发光器件的制作， 也是提高其发光效率的一种有效方法。目前已经有多个小组在硅纳米晶体中观 测导了光增益，其中m i t 的d a ln e g r o 等人 4 - 9 1 对采用等离子增强化学气相沉积 法( p l a s m a e n - h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，p e c v d ) 制备的硅纳米晶体的光 增益特性进行了全面测量i l o l 。通过优化设计，他们在含有硅纳米晶体的硅氮化 物中得到了高达7 的外荧光量子效率。然而种方法仍然没有解决俄歇复合所造 成的难以实现粒子数反转的问题，因此尚未形成激光发射。 ( 三) 掺铒硅纳米晶体 当在硅波导材料中掺入一定浓度的离子铒( e ，+ ) 时，低温下观察在波长 1 5 1 x r n 处有一个非常尖锐的光致发光光谱谱线。这一波长正好对应于光纤通信石 英玻璃光吸收最小值，因此引起人们极大的兴趣。且该峰的能量位置不受激发 功率和所处环境温度的影响。 s i a n o e r y s t a l 图1 5 掺铒硅纳米晶体团簇及发光示意图 7 该 。么 尹 疆 妊，。，彪 掺铒硅纳米团簇是通过在氧化硅材料中进行硅离子和铒离子的注入，然后 通过退火，硅离子会发生相变而产生硅纳米晶体或团簇，而铒离子则聚集在硅 谫一 ，、卜，、 第一章绪论 纳米晶体或团簇的周围。硅纳米晶体或团簇可以用电激励或光激励的方法产生 自由载流子，这些载流子再将能量传递给铒离子，最终由受激的铒离子发生跃 迁而发光。这种方法将铒离子的优良发光特性和硅纳米晶体的量子限域作用有 机地结合起来，因而能够获得较高的发光效率。 2 0 0 1 年意大利科学家p r i o l o ，f 等人通过在硅中掺入高浓度的离子铒( e r 3 + ) 从 而实现硅材料发光，他们发表文章称，掺铒硅纳米簇的荧光有效激发截面为1 1 1 0 _ 1 6c m 2 ，较s i 0 2 中铒离子的激发截面高出约5 个数量级。 2 0 0 2 年荷兰科学家k i k 等人【lo j 报道的文章指出，通过复杂的离子生长方法 在硅基表面薄薄的s i 0 2 氧化层里植入微小的硅纳米晶体和铒离子，并用其作为 增益介质，这种材料结合了硅纳米晶体的有效宽能带的吸收光谱和铒离子的尖 锐的发光光谱的特性。该掺铒硅纳米簇在1 5 3 5um 出的发射截面为2 1 0 。9 c i n 2 ，较s i 0 2 中的e r 离子高出约2 个数量级。然而，材料中铒离子具有的增益 饱和、激发态吸收等缺陷限制了该方法向激光器的进一步研究。 ( 四) 硅基拉曼激光器 当入射光通过硅材料介质时光子与分子运动相互作用而导致出射光频率发 生变化而产生散射，称为拉曼效应。2 0 0 5 年开始，美国加州英特尔实验室的荣 海生博士等人便利用拉曼散射效应先后实现了脉冲方式、连续波硅基拉曼激光 器和级联拉曼激光器等等，对硅基激光器的研制起到了重大的贡献。 1 2 2 拉曼硅基激光器 2 0 0 5 年1 月，美国加州英特尔( i n t e l ) 圣克拉拉实验室的荣海生博士等人 研制成功了利用拉曼效应制成的全硅拉曼激光器【l 。这只拉曼激光器只能工作 在脉冲方式，因为连续波( c w ) 操作将导致波导中电荷积累过多而影响光的输 出。 一个月后，英特尔的研究人员【l2 j 便制造出世界上第一台连续波全硅拉曼激 光器。器件基于s o l 低损耗单模脊型光波导，利用反向偏置p i n 二极管来极大 地抑制双光子吸收效应( t p a ) 引起的自由载流子吸收( f c a ) ，在两端面淀积 高反射涂层来形成谐振腔，从而有效地实现了拉曼激光放大输出。 该硅基拉曼激光器的主要部分是一个具有反向偏置二极管结构的单模脊形 波导块，如图1 6 所示脊形硅波导块位于一个无掺杂的绝缘体上硅( s o i ) 结构 9 第一章绪论 的表面上，该脊形波导的宽度( w ) 、脊形高度( h ) 、刻蚀高度( h ) 分别为1 5 ， 1 5 5 和0 7 微米( um ) 。脊形波导两端加了一个p n 结，当给p n 结加上电压时， 在电场的作用下，电子和空穴会分别向两方p n 结移动，这样就有效的把自由电 子清除掉，自由电子移动出光通过的区域。有效的减小了双光子吸收等损耗， 有了这样的结构就会使产生的增益超过吸收。 图1 6 脊形波导结构示意图 如图1 7 所示将上述脊形硅波导在一块大的硅基上做成s 型，其中s 型曲 率半径为4 0 0um ，s 型波导总长度为4 8c m 。并在其右端镀上一层高反膜，该 高反膜对1 5 3 6 n m 的泵浦光和1 6 7um 的拉曼斯托克斯光均具有9 0 以上的反射 率，在波导左面镀上一层特殊的分光膜，该分光膜对波长在1 6 8 6 n m 的斯托克斯 光反射率为7 l ，对波长在1 5 5 0 n m 的泵浦光反射率为2 4 。这样s 型波导构 成了形成激光的谐振腔。当一束1 5 3 6 n m 的脉冲泵浦光经过一个信号分离器入射 到脊形硅波导，由于拉曼效应便会出射激光，如图示出射光波长为1 6 8 6 n m 。 图1 7 硅基激光器结构示意图 1 0 第一章绪论 同年7 月，i n t e l 实验室报道了一种方法使部分能量转化为电能从而减少生 成的热量。 2 0 0 6 年9 月1 8 日i n t e l 公司和加州大学圣塔巴巴拉分校( u c s b ) 的科学家 们宣布制造出了世界上第一台使用电能的混合硅激光裂1 3 】。研究人员把磷化铟 的光子发射性能和硅的光导性能整合在一块混合芯片中。当加上电压时，磷化 铟产生的光会通过这层像玻璃粘合剂一样的氧化膜进入硅片中的波导，波导容 纳并控制光，形成混合硅激光。 o 图1 8 混合硅激光器横断面示意图与混合硅激光器 0 7 年初，英特尔实验室的容海生博士等人对前面的研究成果进一步改进， 并取得了重大突破【1 4 】。实验主要对谐振腔的结构做了很大的改进，将脊形硅波 导做成环形跑道的形状如图1 9 所示，其曲率半径为4 0 0pm ，整个环形谐振腔 总腔长做成3 0 c m 与1 s c m 分别进行实验。总线波导长度( b u sw a v e g u i d e ) 为 1 6 c m ，通过耦合器在直波导的中间部分与环形波导耦合在一起。 第一章绪论 p u m p 零= 龟 l a s e r o u t p u 乏 p - r e g i o nr i n gc a v i t y = 图1 9 环形波导谐振腔示意图 在原实验结果基础上得到大约1 0 倍的改进，进一步提高了激光转化效率。 改进后实验得到了激光阈值在2 0 m w ，当p n 结反向偏压为2 0 v 时输出能量为5 0 m w 的硅基拉曼激光器。 2 0 0 8 年初，英特尔公司首次展示了世界上第一个采用硅材料制造、通过环 形激光器设计实现的级联拉曼激光器【1 5 】。通过级联它成功将拉曼硅激光器产生 的激光波长延伸到了中红外区，工作波长达到18 4 8 纳米，并且可实现更长的波 长。 一，彬瓣沏袖穗 ”7 “。 一 。： ? 。，一”一、；。 昭蝴珞警辱：一? j1 ，罗。，誓j 嘲o ，一。| ：一。“j ，v o “i _ ；。； “_ i ，_ ：。 断2 、，一_ 弋、 - ： ：j ： i 越 一 - ： 菩i 糖- i i i - 一 一8i 一 枷 童 - 岛 - o_孽 一 ：互i - 翟 -： _ q 一 r - r o l l i 鼍-u l _ i 群- l i b i 秘- 一 5 。o 急 5 筠? 霸1 ，耋4 8 辑乏0 4 51 爨 图1 1 0 级联拉曼硅激光器示意图 综上所述，硅基激光器的研制及更多相关课题的探讨实验等在国际上尚属 1 2 第一章绪论 比较前沿的科研项目，对其进行研究将在硅光子学方面开辟新的领域，以光子 代替电子作为信息的载体是长期以来人们的一个共识，像控制电子一样驾驭光 子将是未来信息时代的必然前景。 第三节本论文的主要研究内容 综上可见，硅基的光技术将是未来信息时代发展的必然趋势，突破电子技 术的瓶颈，开启光子技术应用的技术革命，硅激光器的研究具有深远的意义和 实用价值。 本论文主要针对硅基激光器进行了以下方面的研究和工作： 一对不同腔结构的硅基拉曼激光器进行了理论研究 建立了直线形谐振腔硅基激光器、环形谐振腔硅基激光器、级联硅基拉曼 激光器的理论模型，考虑硅波导中双光子吸收、自由载流子吸收等非线性效应， 推导了硅基拉曼激光器中泵浦光和拉曼光的速率方程，得到了硅基拉曼激光器 的输出功率表达式。 通过m a t l a b 对硅基拉曼激光器进行了数值模拟，对影响激光器输出特性的 各项参数进行分析和计算。得到了激光器的输入输出功率曲线、反射率或耦合 率对输出特性的影响、自由载流子寿命对输出特性的影响等曲线，并对拟合实 验结果进行了理论分析。综合模拟结果，实现了对各种腔结构的硅基拉曼激光 器的输出特性优化设计方法。优化后显著提高了激光器的输出特性。 二硅基拉曼激光器的实验研究 通过调研了解国际上硅基拉曼激光器的实现方法，结合本实验室的条件设 计硅基拉曼激光器的实验装置示意图，购买实验所需器材并按实验装置示意图 搭建实验光路。 以直线形谐振腔硅波导和环形谐振腔硅波导为激光器增益介质，结合第二 章理论模拟分析结果选取适当参数，对硅基拉曼激光器进行实验研究。得到不 同腔结构的硅基拉曼激光器的输入输出特性曲线并对实验结果进行理论分析。 第二章拉曼硅激光器的理论研究 第二章拉曼硅激光器的理论研究 第一节硅中拉曼效应及硅基拉曼激光器理论模型 近些年来，随着硅光子学研究受到了科学界的普遍重视，硅基激光器的研 制也有了重大突破，通过利用拉曼散射效应在硅材料中实现激光发射的方法， 来取代以往普遍在i i i 、v 族半导体中采用的受激辐射方法实现激光。由于拉曼 效应是光致发光，这就解决了硅材料中的非辐射缺陷复合、俄歇复合等致使硅 材料难以发光的现象。 2 1 1硅中的拉曼效应 拉曼散射( r a m a ns c a t t e r i n g ) ，入射光通过介质时光子与分子运动相互作用 而导致出射光频率发生变化的散射，又称为拉曼效应。1 9 2 8 年，印度物理学家 c v 拉曼首先在实验中发现当入射光通过气体和液体时散射光频率发生改变的 现象。拉曼散射的过程大致为：当一个入射频率为v o 的光子通过透明介质时， 散射光谱中出射频率与入射频率v o 相同的成分称为瑞利散射，对称分布在瑞利 散射谱线( 频率为v 0 ) 两侧的出射频率为v 0 - a ：v l 的谱线称为拉曼散射。介质中的分 子吸收入射光能量，同时将自身激发到一个高的虚能级，随后迅速从虚能级向 下跃迁到某一振动态，并发射出一个能量为疗y 。= h ( v o v 1 ) 的光子，即产生了一 个比入射频率低的散射光子，称为斯托克斯( s t o k e s ) 散射；相反的，介质分子 吸收入射光能量，同时发射一个能量为h 屹= h 0 , 0 + 嵋) 的高频散射光子，这时介 质分子跃迁回基态，该过程称为反斯托克斯( a n t i s t o k e s ) 散射。一般情况下， 根据玻尔兹曼分布，处于激发态的分子数量要比处于基态的分子数量少很多， 于是，反斯托克斯散射要比斯托克斯散射弱很多。 1 4 第二章拉曼硅激光器的理论研究 1 s te x c i t e d_ ii 图2 1 拉曼散射示意图 可见，拉曼散射是一种非线性光学效应，它提供了一种除利用受激辐射产 生激光外的新型方法，商用的光纤拉曼激光器便是基于拉曼散射原理实现的， 然而在硅中的拉曼散射效应比在一般光纤中的拉曼散射要强1 0 0 0 0 倍以上，就 是说需要上千米光纤才能实现的拉曼增益，利用硅波导只要几厘米就可以实现， 这使得硅波导成为较为理想的利用拉曼散射实现光放大的材料。不过尽管如此， 拉曼散射仍然是一个非常小的非线性效应，为了利用拉曼效应实现光放大甚至 激光输出，就需要高强度的入射激光输入和尽量低的吸收损耗。 图2 2 为硅材料的拉曼光谱，由图中可以看到一级拉曼散射谱线和二级拉 曼散射谱线，可见二级散射比一级散射还要小两个数量级，故利用拉曼散射实 现光放大时可以不考虑二级拉曼散射。一级拉曼散射光的频率相比泵浦光频率 有1 5 6 t h z 的频移，并且其谱线的半高宽为1 0 5 g h z 。 0 s 1 2 s2 43 0 嘲e 恻 图2 2 拉曼光谱示意图 1 5 第二章拉曼硅激光器的理论研究 硅波导中拉曼散射的强度取决于入射泵浦激光与斯托克斯散射光方向矢量 与硅波导晶轴的关系【1 6 】。自发拉曼散射效率可以被描述为： 3 s=s o 【口，r 。p ，】2 ( 2 1 ) l = l 其中e o 与e s 分别为入射泵浦光与散射光的单位矢量，s o 表示与晶格方向和 极化方向无关的拉曼散射效率。 l z 0 0 1 1 x 【1 0 0 j 图2 3 硅晶格示意图 _ y 【0 1o 】 张量r i ( i = 1 ，2 ，3 ) 表示拉曼散射在三个不同晶格方向上的振动，在晶格立方 矢量系统坐标下( 如图2 3 所示) ，张量r i 在三个方向上可分别写成【1 7 】： r 。= 三吕1 三 ，r ：= 草三 ，足，= ( 三；三 c 2 2 ， 当泵浦光源光强足够大时，便会产生拉曼散射，受激拉曼增益系数( g ，) 可 8 万2 c 2 s ( y ：= 一 “ 力功，3刀2 ( o + 1 ) 缈 ( 2 3 ) 在这里，s 是斯托克斯辐射光的角频率，c 是真空中的光速，壳是普朗克 常量除以2 ，n 是硅在斯托克斯频率时的折射率，n o 是玻色常数( 室温下大约 为0 1 ) ，是斯托克斯谱线半高值的半宽值角频率表示形式。由于硅波导中 的自发散射效率与泵浦光、斯托克斯光极化方向还有硅的晶格方向相关，所以 1 6 第二章拉