硅基拉曼激光器浅谈

苏红新 耿一王番 关泽琳

(河北大学物理学院 河北 保定 071002)

硅是理想的电子材料，它不仅在地壳中含量丰富成本低廉而且应用成熟的CMOS技术能够实现硅器件的高集成化和高成品率.在信息时代为了实现超高容量的信息储存、信息传递和超高速度的信息处理，都要求用光子取代电子来作为信息的载体.为了实现这一目的就需要将光通信器件和微处理器件集成在同一硅基上.为了实现光电一体化，在众多硅光子器件中硅激光器是不可惑缺的.通常,人们认为硅材料是不能成为制作激光器的材料, 因为它是一种间接带隙半导体.到目前为止，利用受激拉曼散射效应实现硅器件中光的放大和激光的产生是最为理想的方式，因此硅基拉曼激光器在硅光子学研究过程中具有广阔的前景.

硅波导是硅基拉曼激光器的增益介质，对其起着至关重要的作用.它的制备可以通过使用标准的CMOS技术在硅基上蚀刻出一个“脊”或“沟”来实现.目前硅波导按其形状可以分为，直线型结构，S型结构，环形结构.

1 硅材料中的拉曼散射

拉曼散射(Raman scallering)是光通过介质时入射光与分子运动相互作用而引起散射光频率发生变化(位移也相应发生变化)的散射.拉曼散射中，不仅光子的动量要发生改变，其能量也要发生改变.其原因是入射光子与分子碰撞时，入射光子与分子交换能量，使分子的振转能级发生改变，从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种非线性光学现象，只有高功率密度的光入射硅材料才会出现较强的拉曼散射光.在此过程中高能量密度的泵浦光被硅材料吸收并转换为激光能量，同时硅材料完成振转能级间的跃迁，这样就克服了硅材料发光效率低的缺点.

2 硅波导为直线型硅基拉曼激光器

2004年，根据受激拉曼散射效应，Ozdal Boyraz等人首次验证了硅基拉曼激光器[1]，他们使用直线型硅波导作为增益介质，并将硅波导整合到一个光纤环状腔内，其结构如图1所示，泵浦光通过波分复用器耦合进环状光纤谐振腔内.硅波导后是一个分波器，将光进行分离，95%的光经环状腔重新耦合进谐振腔.在输出端用波分复用器对剩余的光进行分离，分离出泵浦光和波长为1 675 nm信号光.最后用示波器、光谱分析仪和自相关器对信号光进行分析.激光器的发射波长为1 675 nm，频率为25 MHz,斜率效率为8.5%，泵浦阈值功率为9 W.

图1 直线型硅波导硅基拉曼激光器

3 硅波导为S型硅基拉曼激光器

2005年，荣海生等研制成功了第一台全硅拉曼激光器[2]，其硅波导为S型结构，总长度D为4.8 cm，波导宽W为1.5 μm、高H为1.55 μm、蚀刻深度h为0.7 μm.将硅波导制成S型可以减小硅片尺寸，便于硅器件的集成.荣海生等人首次在硅波导两侧掺杂形成pin结，图2为硅波导截面图，通过在硅波导两侧加反向偏置电压，来减少硅波导内的自由载流子浓度，从而抑制自由载流子对激光的吸收.当pin结两侧反向偏置电压为25V时，激光阈值为0.4 mW，斜率效率为9.4%.

图2 具有反向偏压的pin型二极管硅波导截面图

2005年，荣海生等人在脉冲光泵浦硅基拉曼激光器的基础上成功实现了激光器的连续光输出[3].其结构如图3，1 550 nm的泵浦光通过偏振控制器、解复用器、透镜光纤耦合进入硅波导，在波导内激发出斯托克斯光，在硅波导后端面处泵浦光和斯托克斯光又反射回透镜光纤、解复用器，通过低通滤波器分离出斯托克斯光，最后使用光谱分析仪和激光功率计分析记录斯托克斯光.他们使用S型硅波导作为增益介质，不仅实现了连续光输出，还获得了稳定的单模激光，边摸抑制比大于55 dB，输出谱线宽度小于80 MHz.激光的输出功率和激光的斜率效率与pin结反向偏置电压有关，当偏置电压为2.5 V时，阈值为180 mW，斜率效率为4.3%.

图3 S型硅波导硅基拉曼激光器实验装置

4 硅波导为环形的硅基拉曼激光器

2006年，荣海生等研制出了环形硅波导腔[4]，不仅提高了激光的转化效率，而且将激光器的性能大幅提升.2008年，荣海生等又研制成功了由硅材料制造，通过环形硅波导腔实现的级联拉曼激光器[5].它成功地将硅基拉曼激光器的激光波长延伸到中红外区，工作波长可达1 848 nm.如图4，泵浦光耦合进波导腔激发出第一级斯托克斯光，第一级斯托克斯光不断振荡产生增益从而激发出第二级斯托克斯光，这个过程可以一直进行下去.当泵浦功率达到80 mW时，激发出第一级斯托克斯光；当泵浦功率达到120 mW时，激发出第二级斯托克斯光.在这个过程中第一级拉曼散射的斜率效率为6%.当第二级斯托克斯光产生后，波导腔内第一级斯托克斯光功率可达3.5 mW.第二级拉曼散射斜率效率为2.7%,出射光功率大于5 mW.

图4 硅基级联拉曼激光器示意图

近年来，对硅基发光光器件的研究取得了积极进展，但尚不完善，需要对硅波导结构进一步优化.硅基拉曼激光器的研制成功具有划时代的意义，它的进一步完善促进了硅基光电集成技术的发展，也使光子取代电子作为信息的载体实现超高容量的信息储存、信息传递和超高速度信息处理成为可能.

参考文献

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