（光学专业论文）硅基喇曼放大器的研究.pdf

中图分类号： u d c ： 学校代码： 1 0 0 5 5 密级：公开 高恐犬淫 硕士学位论文 硅基喇曼放大器的研究 s t u d yo f si l i c o nr a m a n a m p l i f i e r i 以0 27 8 南开大学研究生院 二o o 年五月 y 18 1 吣删 南开大学学位论文使用授权书 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 著作权法规定范围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： 鲣鏖塞 2 0 1 0 年0 5 月2 5 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目硅基喇曼放人器的研究 姓名解康文学号 2 1 2 0 0 7 0 0 9 4 答辩日期2 0 1 0 年5 月2 5 日 论文类别博士口学历硕士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 5 0 2 1 3 4 9 1 9 e m a i l k i v i k m a i l n a n k a i e d u c a 通信地址( 邮编) ：天津市南开大学两区公寓3 2 5 0 4 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 本人郑重声明：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：鲤糜塞2 0 1 0 年0 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( 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l o 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，随着现代光通信网络的发展，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主要原因。而硅的制作工艺成熟，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一步发展 的迫切需要。作为硅基光器件之一，硅基放大器越来越引起了人们的注意。在 s o i 为基底的硅波导中，科尔系数比普通光纤中大1 0 0 倍，喇曼增益系数比普 通光纤大1 0 0 0 倍以上，因此利用s o i 基底的硅波导制作放大器，是实现低损 耗、高增益喇曼放大器有效手段。本论文主要从以下两个方面开展了研究： 一，对泵浦光和信号光都为连续光的硅基喇曼放大器进行了理论研究。 建立了泵浦光和信号光都为连续光时的理论模型，推导了硅基喇曼放大器 中泵浦光和信号光的耦合方程，得到了硅基喇曼放大器的增益和噪声系数的表 达式。对耦合方程进行了解析分析，得到了泵浦光功率需要满足的阈值范围， 同时得到正增益时了自由载流子寿命需要满足的条件。 通过m a t l a b 对放大器进行数值模拟，对影响放大器性能的各项参数进 行分析和计算。利用模拟结果，对放大器的进行了优化设计。显著提高了放大 器的增益。得到了最佳增益和噪声系数随泵浦光率和自由载流子寿命的变化图。 计算得知，最佳增益不仅与泵浦光功率增加有关，而且随自由载流子寿命 减小而逐渐较小，在放大器优化前，当自由载流子寿命为0 5 n s 时，最佳增益 为1 4 5d b 。优化后，最佳增益达到1 7d b 。 二，对泵浦光为连续光，信号光为脉冲光的硅基喇曼放大器进行了理论研 究。 利用变分法推导了信号光各脉冲参数：振幅、脉宽、啁啾及相位的耦合方 程，同时推导出了信号光功率在硅波导中的耦合方程。对耦合方程进行了解析 分析，得到了正增益时自由载流子需要满足的条件。通过m a t l a b 对放大器 进行了数值模拟，对信号光振幅、脉宽和啁啾随传播距离的变化进行计算，分 析了增益色散、脉宽、啁啾和自由载流子寿命对各脉冲参数的影响，得到了脉 宽和啁啾在放大器中的变化关系。 对放大器增益进行了数值模拟，分析了增益随波导长度、泵浦光功率、自 由载流子寿命的变化，得到了增益的变化图。对信号光脉宽和啁啾对放大器的 摘要 影响进行了数值模拟，得到了增益随信号光脉宽和啁啾的变化曲线。 计算可得，放大器增益随自由载流子寿命减小而逐渐增大，同时，随脉宽 的增加逐渐增加，随啁啾的增加而逐渐减小。 关键词：硅基器件s o i 硅基放大器喇曼散射 i i a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n g 诚t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ，t h eh i ：g hp r i c ea n ds p e e dl i m i to fc o p p e rw i r eh a v eb e c o m et h em a i n r e a s o n sw h i c hr e s t r i c tt 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 ki nt h ef u t u r e s i l i c o ni sal o wp r i c em a t e r i a l ，h a sm a t u r ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n di s e a s yt o i n t e g r a t e s os t u d yo fs i l i c o no p t i c a ld e v i c e si su r g e n tn e c e s s a r yf o rt h ef u r t h e r d e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n 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 ts i l i c o n o p t i c a ld e v i c e ，r e s e a r c ho ns i l i c o na m p l i f i e ra n dl a s e ri sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n s f o rs i l i c o nw a v e g u i d e s ，f a b r i c a t e dw i ms i l i c o n o n i n s u l a t o r ( s 0 1 ) ，t h e n o n l i n e a rk e r rc o e f f i c i e n ti sm o r et h a n1 0 0t i m e sl a r g e ra n dt h er a m a ng a i n c o e f f i c i e n ti sn e a r l y10 0 0 0t i m e sl a r g e rt h a nt h o s eo fs i l i c af i b e r s t h e r e f o r e ，u s eo f s o is u b s t r a t es i l i c o nw a v e g u i d ei sa f f e c t i v em e t h o dt oa c h i e v el o wl o s s ，h i g hg a i n r a m a na m p l i f i e r 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 ef o l l o w i n gt w oa s p e c t s ： 1t h e o r e t i c a ls t u d yo fs i l i c o nr a m a na m p l i f i e rw i t hc o n t i n u o u sp u m pa n ds i g n a l l i g h t t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fa m p l i f i e ri s e s t a b l i s h e d ，c o u p l e dw a v ee q u a t i o no f p u m pl i g h ta n ds i g n a ll i g h ta n de x p r e s s i o no fg a i na n dn o i s ef i g u r ei sd e r i v e d c o u p l e dw a v ee q u a t i o n sa r ea n a l y z e d ，t h et h r e s h o l dr a n g eo fp u m pp o w e ra n d 1 i f e t i m eo ff r e ec a r r i e ra r ec a l c u l a t e d w es i m u l a t e dt h ea m p l i f i e ru s i n gm a t l a b ，a n di n v e s t i g a t e dp a r a m e t e r s i n f l u e n c e so nt h ea m p l i f i e r , i n c l u d i n gl i f e t i m eo fc a r r i e ra n dp u m pp o w e r u s i n g s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ea m p l i f i e rw a so p t i m i z e d t h e g a i no ft h ea m p l i f i e ri s s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d b e f o r et h eo p t i m i z a t i o n ，w h e nl i f e t i m eo fc a r r i e ri s0 5 n s ，t h e g a i no ft h e a m p l i f i e ri s 14 5d b a n da f t e rt h eo p t i m i z a t i o n ，t h eg a i ni s17d b 2t h e o r e t i c a ls t u d yo fs i l i c o nr a l t l a na m p l i f i e r 、i t hc o n t i n u o u sp u m pa n dp u l s e s i g n a ll i g h t u s i n gv a r i a t i o n a lf o r m a l i s mm e t h o d ，t h ec o u p l e dw a v ee q u a t i o n so fp u l s e i i i a b s t r a c t s i g n a lp a r a m e t e r s ：a m p l i t u d e ，p u l s ew i d t h ，c h i r pa n dp h a s e a r ed e r i v e d t h ec o u p l e d w a v ee q u a t i o no fp u m pl i g h ti sa l s od e r i v e d c o u p l e dw a v ee q u a t i o n sa r ea n a l y z e d ， t h et h r e s h o l dr a n g eo fp u m pp o w e ra n dl i f e t i m eo ff r e ec a r d e ra r ec a l c u l a t e d t h e r e l a t i o n s h i po f s i l i c o nw a v e g u i d el e n g t ha n dt h ep u l s es i g n a lp a r a m e t e r s ：a m p l i t u d e ， p u l s ew i d t ha n dc h i r pa r ec a l c u l a t e d w es i m u l a t e dt h ea m p l i f i e ru s i n gm a t l a b ，a n di n v e s t i g a t e dp a r a m e t e r s i n f l u e n c e so nt h ea m p l i f i e ri n c l u d i n gl i f e t i m eo fc a r d e r , p u m pp o w e r , g a i n d i s p e r s i o np a r a m e t e r , p u l s ew i d t ha n dc h i r p a st h ec a l c u l a t i o n ，t h eg a i no ft h ea m p l i f i e ri n c r e a s e sw h e nl i f e t i m eo fc a r d e r g e t ss h o r t e ra n dt h ep u l s ew i d t hg e t sl o n g e r , b u tt h eg a i nd e c r e a s e sw h e nc h i r pg e t s l o n g e r k e yw o r d s ：s i l i c o nd e v i c e s s o is i l i c o na m p l i f i e rr a m a ns c a t t e r i n g i v 目录 目录 第一章绪论l 第一节硅基光子学概述1 1 1 1 光源l 1 1 2 光传导3 1 1 3 光凋制4 1 1 4 光探测4 第二节硅基喇曼放大器的研究现状5 1 2 1 硅基喇曼散射5 1 2 2 s o l 基底硅基喇曼放大器6 1 2 3 多孔硅喇曼放大器11 1 2 4 中红外波段硅基喇曼放大器1 3 第三节本论文的主要研究内容1 5 第二章连续光硅基喇曼放大器的理论研究1 6 第一节连续光硅基喇曼放大器的理论模型1 6 2 1 1 喇曼散射原理1 6 2 1 2 硅基放大器理论模型l8 2 1 3 放大器的主要指标2 0 第二节硅基喇曼放大器的解析分析2 1 2 2 1 耦合方程的理论分析2 l 2 2 2 泵浦功率和自由载流子寿命对有效增益的影响2 3 第三节连续光硅基喇曼放大器的数值模拟2 5 2 3 1 数值模拟的参数说明2 5 2 3 2 连续光硅基喇曼放大器的数值模拟2 6 v 目录 第四节连续光硅基喇曼放大器的参数优化31 2 4 1 放大器的参数优化31 2 4 2 泵浦功率对放大器的影响3 2 2 4 3 自由载流子寿命对放大器的影响3 5 第五节本章小结3 6 第三章脉冲光硅基喇曼放大器的理论研究3 8 第一节脉冲光硅基喇曼放大器的理论模型3 8 3 1 1 硅基放大器的理论模型3 8 3 1 2 变分法求解4 0 3 1 3 信号光功率耦合方程及理论分析4 3 第二节硅基喇曼放大器脉冲参数的理论分析4 5 3 2 1 数值模拟的参数说明4 5 3 2 2 放大器脉冲参数的数值模拟4 6 第三节脉冲光硅基喇曼放大器的理论分析5 2 3 3 1 增益随波导长度的变化5 2 3 3 2 增益随泵浦光功率的变化5 3 3 3 3 增益随自由载流子寿命的变化5 4 3 3 4 增益随信号光脉宽的变化5 5 3 3 5 增益随信号光啁啾的变化5 6 第四节总结5 7 第四章总结5 8 参考文献6 0 致谢6 3 个人简历6 4 v i 第一章绪论 第一章绪论 第一节硅基光子学概述 光纤通信网络的出现，把信息的传输速度和传输容量都发展到了极高的水 平，改变了世界的面貌，也给人们的生产、生活方式都带来了巨大的便利。然 而，光通信产业的发展在2 0 0 0 年达到高峰后，又在2 0 0 3 年以罕见的坡度滑落 到低谷。其中的最重要的原因是由于光网络系统的成本太高，远高于市场用户 的承受能力。光网络系统的造价主要取决于系统中光器件的成本，以及生产的 自动化和规模化。硅作为一种蕴藏丰富的材料，具有很低的制造成本。同时， 硅器件的制造工艺和技术也非常成熟，很容易实现高成品率和集成化。因此， 光器件的硅基化是光网络重现蓬勃发展的必然途径。 另一方面，微电子产业在高速发展中也遇到了问题。由于当前芯片间的通 信速度却已接近铜线传输的极限，因此传输带宽成为限制计算机设备运行速度 的一大障碍。而光信号具有巨大的数据容量，远的传输距离和对电磁干扰以及 窜音不敏感的特点，因此采用光信号代替电信号来完成芯片间的信息传递无疑 是最好的选择。这一目标的实现需要将光器件集成在硅基材料上，因此光器件 的硅基化已成为光通信产业和微电子产业的共同呼唤，是i t 产业实现进一步发 展的迫切需要。另外，硅基化的光器件成本大大降低，可以使光子技术的各种 优势应用于生产和生活的各个方面，使人们真正进入光子时代。 近年来，各种硅光子器件的研制和开发引起了科学界和产业界的高度重视。 硅光子学的研究主要在五个领域，包括光源、光传导、调制、探测和控制。 1 1 1 光源 由于硅是一种间接带隙的半导体，其电子和空穴的辐射复合是一个二级过 程，必须有声子的参与，概率很低，而由杂质和缺陷所引起的非辐射复合几率 却很大，同时俄歇复合和自由载流子吸收等过程进一步降低了硅的发光效率， 因此单晶硅不能制成有效的发光器件，然而通过掺杂或引入应力的方法，可以 第一章绪论 改变材料的能带结构，从而使得硅基发光有了实现的可能。 2 0 0 1 年，n g 等人提出利用位错技术在硅材料中引入三维应力场，通过改 变硅能带间隙来实现发光的方法【l 】。2 0 0 2 年，p o l m a n 提出在硅纳米晶材料中掺 入稀土元素铒，利用铒离子特性发光【l j 。当抽运光波长为1 4 6 5n n l 时，该激光 器出射的波长为1 5 7 8n l i l ，抽运阈值为4 5uw ，腔q 值为3 9 1 0 9 。此后， 人们还提出了量子级联 3 1 等多种方法来实现硅基发光，但结果都不尽人意。 2 0 0 5 年，美国辛辛那提大学的j h p a r k 等人从沉积在硅片上的掺铕g a n 层中获得可见光波段的激光【4 l 。他们在硅基片和掺铕g a n 之间淀积多层 a 1 g a n ，利用顶部的a i g a n 层形成整个结构的平面波导。采用波长为3 3 7h i l l 的氮激光器作为光源，发射6 0 0p s 的脉冲光进行抽运，在e u 3 + 离子中实现了 粒子数反转，从而产生波长为6 2 0n n l 的激光，入射在结构表面的辐射阈值功 率约为1 1 7k w c r n 2 。 近几年，人们提出利用喇曼效应可以避免硅作为间接带隙具有的发光效率 低的特点。2 0 0 5 年，i n t e l 公司的荣海生博士利用喇曼效应研制出第一台全硅喇 曼激光器，获得了脉冲、连续的激光输出【5 】。他们制作了低损耗的脊型硅波导， 沿波导两边掺杂以形成p i n 结，如图1 1 所示。 tl|土v 1 ， | i 舻 ? 二魏f 缀藤 礁丞巍 图1 1 脊型硅波导示意图 通过在波导两边加载反向电压，减小自由载流子的寿命，来抑制双光子吸 收( t p a ，t w o p h o t o na b s o r p t i o n ) 。利用脉宽为3 0p s ，重复频率为2 5m h z ，中 心波长为1 5 4 0n n 的脉冲光作为泵浦。结果测得激光器的斜率效率为8 5 。 在脉冲光硅基喇曼激光器的基础上，荣海生等人又实现了连续光的输出。2 0 0 8 年，荣海生等人又报道了以1 5 5 0n l t l 光做泵浦源，产生1 8 4 8um 激光的级 联喇曼激光器。硅基级联喇曼激光器的出现，有望解决现有中红外激光器存在 窄波段、低功率、大体积、低温工作等问题，实现高功率、紧凑型、带宽可调 2 第一章绪论 的中红外激光器，满足军事、测量传感和生物医学等各个领域应用的要求。 1 1 2 光传导 l o 8 薹0 , 6 张 蓑o 4 露 o 2 0 图1 2 输出功率曲线 光传导器件一般包括光开关、光耦合器、光功率分配器、波分复用器等，这 些器件被广泛应用在交叉互联、波分复用、信号处理等方面，在整个光通讯网 络中起着十分重要的作用。硅可以透过波长大于1 1 0 0n l l l 的光，对于经常用于 电信网络传送高速率数据的波长为1 3 1 0n r n 和1 5 5 0n r l l 附近的光损耗很小。因 此，可以在硅中制作传输损耗很小的光波导，可以用于制作光耦合器，波分复 用器等器件。 以硅作为基底的氧化硅是光波导最普通的材料选择，由于二氧化硅的折射 率与光纤的折射率很相似，可以使耦合损耗最小化，同时，硅基耦合器的耦合 长度更小。常规的方向耦合器的耦合长度一般为几百微米或甚至几毫米，而硅 基耦合器的耦合长度为1 0l a m 或更短。2 0 0 5 年；日本东京大学的研究人员 h y a m a d a 等人研制出第一个硅纳米线方向耦合器【6 j 。他们用长度小于1 0 0l , t m 的方形芯波导制作耦合器，并计算了在耦合器中传播的电场，结果显示耦合长 度为1 0l a m 。该耦合器的消光比为2 0d b ，器件的插入损耗在1 5 5 0n n l 处为1 5 d b ，该损耗的大部分是由于与连接到硅纳米线波导的斜面光纤相焊接的耦合损 耗引起的，说明耦合器本身的损耗非常小。 3 第一章绪论 1 1 3 光调制 图1 3 硅纳米线方向耦合器 光调制器是光通信网络系统中的重要器件之一。传统的光调制器件基于 v 族材料制作，利用直接光电效应实现4 0g h z 的高速电光调制，但是器件的 制作成本过高，而且与微电子工艺不兼容。硅基材料是低成本易集成的材料， 因此硅基高速电光调制器是研究的重点。 2 0 0 4 年，l i uc h e n g y a n g 等人从理论上设计了硅基光子晶体液晶马赫曾特 干涉结构，通过改变取向来改变液晶的折射率，从而实现了关涉调制。器件总 长度为l o 2 61 t m ，损耗为1 ，其响应时间仅为毫秒量级【7 j 。2 0 0 5 年，m t t i n k e r 等人设计出光子晶体热光马赫曾特干涉调制器，通过对干涉臂处波导的局部加 热，来调节光子晶体波导的截止频率，实现光调, j j t7 。通过计算，理论上消光 比可达到5 0d b ，响应时间为1 0 “s 。最近，美国y o n g q i a n gj i a n g 等人设计出采 用p i n 结调制的光子晶体调制器，调制深度可达到9 2 。2 0 0 7 年，华中科技 大学的周治平提出基于m o s 结构的调制器，可以有效避免p i n 结中自由载流 子复合的速率延迟，通过理论模拟，此结构的调制速率可以提高到3 5g h z 驯。 1 1 4 光探测 硅的禁带宽度较大，通信窗口为常用的1 31 0n n l 和1 5 5 0n n l 波长的光波。 对于波长更短的光波，吸收效率较低。因此如果想扩大硅基探测器件的适用波 长范围，提高探测效率，就必须对硅材料的能带结构进行改变。 2 0 0 3 年，h s u 等人提出了一种基于g e 量子点和m o s 隧穿结构的新的硅基 探测器设训1 0 l 【1 1 】。通过用u h v c v d ( 超高真空化学气相沉积) 生长g e 量子点 的方法改善硅的能带结构。生长后材料在g e 量子点处禁带宽度明显变窄，从而 4 第一章绪论 为长波长光波的吸收探测提供了可能。m o s 结构中的氧化层仅为1 5n n l ，因此 根据隧穿效应，载流子可以较容易的穿过氧化层而到达电极，形成电流。当在栅极 上加正压时，栅极电流大小就由光生载流子的产生速率决定，随光强的增大而增 大，从而实现探测功能。当g e 量子点结构的周期数为5 时，探测器对8 2 0n m 、 1 3 0 0a m 、1 5 5 0a m 三个波长的响应度分别为o 1 3a w 、0 1 6a w 和0 1 0 8a w 。 此外，有科学家指出，g e ( 锗) 材料能够探测比硅更远得多的红外光，如 果把锗或s i g e 合金沉积在硅波导的上面，光可以被耦合进入硅基层中并被吸 收。2 0 0 5 年，意大利罗马大学和美国m i t 大学的l c o l a c e 等人用化学蒸汽淀 积技术把锗外延生长在硅上，借助低温缓冲和周期热退火减少错位密度，制成 了快速高效的硅基锗p i n 光探测器，在1 3 1 0n n l 和1 5 5 0n l n 处响应率分别高 达0 8 9 w 和0 7 5a w e l 2 1 。 第二节硅基喇曼放大器的研究现状 1 2 1 硅基喇曼散射 喇曼散射是光与物质相互作用的一种形式，其实质是光子和散射物质中的 分子之间发生了非弹性碰撞。在喇曼散射中，光子不仅改变其动量，还同时发生 分子能量与分子振动转动能量之间的交换。通常把散射光频率低于入射光频率 的情况叫斯托克斯散射，把散射光频率高于入射光频率的情况叫反斯托克斯散 射。 由于硅材料本身性质的制约，利用硅发光实现光放大主要有两个困难。第 一，硅是一种间接带隙半导体，电子空穴对的辐射复合不能在价带与导带间直 接跃迁，合必须借助声子来进行间接跃迁，间接跃迁的发光效率远小于直接跃 迁。第二，硅材料中的大量的俄歇复合和非线性损耗是产生增益的主要障碍， 其中包括双光子吸收和双光子吸收引起的自由载流子吸收。 5 第一章绪论 “班伊蛔删 黩d 嘲妒 勃凝既黼旷 s i l i a o 图1 4 直接带隙的i 半导体发光过程和间接带隙的硅发光过程 而喇曼散射是一种非线性效应，在此过程中高功率的泵浦光能量被吸收并 转化为激光能量，同时材料完成振动态的跃迁，这样就避免了硅作为间接带隙 材料所具有的辐射复合几率低的缺点。因此，喇曼散射可以在纯硅中产生，不 需要掺杂任何粒子。而且，纯硅中受激喇曼散射系数比光纤中大1 0 3 1 0 4 ，模式 范围比光纤中小1 0 0 倍，这两个优点使得用硅材料可以制作芯片尺寸的喇曼激 光器件。减少自由载流子吸收的方法有两个，一个是减少自由载流子的寿命。 另一个是采用脉冲泵浦，当脉宽远小于自由载流子寿命而脉冲周期远大于自由 载流子的寿命时，自由载流子产生即可忽略。受激喇曼散射已被证明能在平面 硅波导结构中产生光学增益。 1 2 2s o l 基底硅基喇曼放大器 最近几年对硅材料非线性效应f 1 3 j ，特别是受激拉曼散射的深入研究【1 4 】f 1 5 】 使硅基发光器件的研制取得了重大突破。2 0 0 2 年，r i c h a r d oc l a p s 和b j a l a l 等 人第一次报道了在脊型硅波导上发现自发喇曼散射，他们利用波长为1 4 3 l am 的光作为泵浦源，对基底为s o i ( 绝缘体上硅) 的硅波导进行泵浦，前向和后 向都得到了波长为1 5 4 岬的输出光【1 6 】。实验装置如图1 5 所示。 6 第一章绪论 f i l l e r l 图1 5 白发喇曼散射实验装置图 光源采用高功率级联喇曼腔光纤激光器，该激光器出射波长为1 4 2 7n n l 的 连续光，带宽为2n n l 。激光经过偏振分束器后，p 光耦合进入硅波导作为泵浦 光，前向喇曼光经过1 5 3 0 1 5 5 0n n l 的带通滤波器后进入光谱仪。硅波导中后向 输出的喇曼光被反射后通过偏振片和滤波器，进入光谱仪。偏振分束器、滤波 器以及偏振片的损耗为1 5d b 。实验输出光谱如下图所示，波峰所在的波长为 1 5 4 2n n ，与泵浦光1 5 7t h z 的频易波长相匹配。实验测得喇曼散射系数为( 4 1 4 - 2 5 ) x1 0 7c m - 1 s r - 1 ，该实验结果证明了实现硅基拉曼放大器是有可能的，主 要困难在于实验所使用的器件中难以满足低硅波导传输损耗以及高泵浦耦合系 数的条件。 图1 6 自发辐射输出光谱 7 霉c事主一；-8氐盛至鼍鬈 第一章绪论 随后，在2 0 0 3 年，r c l a p s 等人又第一次发现了观察到了硅波导中的受激 喇曼散射n 7 1 。以功率为1 6w 的连续光激光器作为泵浦源，泵浦光波长1 4 2 7n i n ， 在1 5 4 2 3n i n 波长处发现了斯托克斯光放大，硅波导中的增益达到0 0 2 5d b 。 试验中观察到的受激辐射与自发辐射光谱图如图1 7 所示： 图1 7 受激喇曼散射输出光谱图 实验得知，硅波导中的受激辐射增益系数小于自发增益系数。根据以上实 验，通过对硅波导的优化，将有可能得到更高的受激辐射增益。 超小截面积的波导使耦合进的光功率很小就可以在波导内实现很大的光 强，再加上硅中的非线性系数比光纤中大3 个数量级，这使硅波导中可以实现 多种非线性效应，如自相位调制，四波混频，受激喇曼散射等。2 0 0 4 年，r i c h a r d l 等人在一个的超小s 0 1 硅波导上测得了波长为1 5 5 0n i n 的受激喇曼增益【l 引。波 导截面积为0 0 9 8 岬，长度为4 2m i n 。利用功率小于3 0m w ，波长为1 4 3 5 衄 的二极管激光器作为泵浦。采用宽带光源作为信号光。实验装置如图1 8 所示， 采用宽带光源作为信号光。 8 第一章绪论 图1 8 超小波导实验装置示意图 实验结果表明，在1 5 5 0n l r l 处硅波导中的传播损耗为3 6 + 0 1d b c m 。利 用当泵浦光源功率为2 0 5m w 时，喇曼增益为0 4d b ，输出光谱中心波长为 1 5 5 0 7h i 1 。同时实验测量了没有信号光输入时的自发喇曼输出光谱，光谱图如 图1 9 所示。 图1 9 自发喇曼输出光谱 9 第一章绪论 当泵浦功率为2 9m w 时，最大开关增益达到0 7d b 。该放大器的f o m ( f i g u r e o f - m e r i t ) 达到了5 7d b c m w ，比大面积硅波导大10 3 。该报道表明利 用超小s o i 硅波导做放大器，实现集成化的光电集成电路的是可行的。利用优 化的c m o s 工艺技术可以制造出更低传输损耗，因此可以得到更高的喇曼增 益。 图1 1 0 开关增益随泵浦光功率变化 2 0 0 5 年i n t e l 公司的荣海生等人制作了低损耗的脊型硅波导，沿波导两边 掺杂以形成p i n 结，如图1 1 l 所示【1 9 1 1 2 0 1 。同时，通过在波导两边加载反向电 压，减小自由载流子的寿命，来抑制双光子吸收。并指出双光子吸收引起的自 由载流子吸收是造成硅波导中非线性损耗的主要原因，通过p i n 结加载反向电 压可以显著减少自由载流子的密度，在硅波导中可以获得净增益。 图1 1 1 脊型硅波导示意图 硅波导为s 型，弯曲处半径为4 0 0p m ，波导总长度为4 8c m ，信号光波长 1 0 盆慧ul撵。器丧。 第一章绪论 为1 5 5 0n n l 。实验结果可得，随着反向电压的增加，信号光的增益逐渐增加。 当反向电压为5v 时，当泵浦光功率大于7 0 0m w 时，可以得到2d b 增益。当 反向电压为2 5v 时，最大增益可达到3 7d b 。 p u m pp o w e r ( m v v ) 图1 1 2 增益与p i n 反向电压关系图 1 2 3 多孔硅喇曼放大器 利用硅的受激拉曼散射可以实现了光放大，但是有很多内在原因阻碍了大 增益实现，其中一个可以打破此限制的方法是使用低维度的硅材料，利用多孔 硅实现喇曼放大的概念被提出。多孔硅相对于硅有几个优点： 一，自发喇曼谱的展宽较宽。 二，斯托克斯频移量可以调谐。硅中的自发喇曼光谱大约为1 0 5g h z ( o 8 5 n m ) ，这就限制了在w d m 系统的应用。多孔硅类似海绵，由不统一尺寸的线 和点组成。带宽和频移与晶体的尺寸成反比。 2 0 0 6 年，意大利科学家l u i g is i r l e t o 等人通过数值计算，发现与硅波导相 比较，多孔硅有着较宽的自发喇曼带宽和可调的斯托克斯频移【2 1 】。计算发现， 多孔硅的自发喇曼带宽和斯托克斯频移与晶体的尺寸成反比，如图1 1 3 所示。 第一章绪论 ： 矗 耋： 翥，。 i 。 ： 2 o 图1 1 3 带宽和频移与晶体尺寸成反比 在硅波导中，对于硅基拉曼放大的主要限制是双光子吸收和其导致的自由 载流子吸收，其中当光子能量小于半能带宽度时双光子吸收会消失。在多孔硅 中，减小多孔硅的点或线的尺寸可以使能带宽度增大，可以最终使其半宽大于 光子能量，双光子吸收消失。 2 0 0 8 年，l u i g is i r l e t o 等人第一次设计了脊型的多孔硅波导拉引，并实现了 喇曼光放大，与普通硅波导相比，多孔硅喇曼放大器有着较低的阈值和较高的 增益。多孔硅的折射率随着多孔性的增加而减小。波导中间材料采用多孔性较 低( 折射率大) 的多孔硅，四周用多孔性较大( 折射率低) 的材料；设计出的 脊型波导中间采用多孔性为4 0 ( 2 4 ) 或多孔性为1 3 ( 3 2 5 ) ，底层采用8 0 ( 1 4 5 ) ，脊宽2 1 x m ，中间层( 包括脊高) 厚为2 1 5i x m ，底层高为1l x m 。图1 1 4 为采用多孔性为4 0 的波导示意图。 1 2 第一章绪论 2 重1 ； c o n t o u rm a po ft r a n s v e r s ei n d e xp r o f i l ea tz = o ，5- 4321012 345 x “m ) 图1 1 4 多孔性为4 0 的硅波导示意图 通过计算，将多孔性不同过的两种波导与普通硅波导中信号光放大做了对 比，在多孔硅波导下喇曼增益有了显著提高。 o i n t c o ! 幽hp 霉t o i 崔智擘秘i 图1 1 5 不同泵浦功率下得到的增益 1 2 4 中红外波段硅基喇曼放大器 硅的低线性吸收区域为1 2 6 5p , m ，并且硅还具有高损伤阈值和好的热传 导系数，这使硅成为制作中红外波段拉曼激光器和放大器的理想材料。在中红 第一章绪论 外波段，当泵浦光波长大于2 2l x m 时，由于光子能量小于能级带隙的一半，双 光子吸收就会消失。因此，中红外波段的硅基拉曼放大器非线性损耗会大大减 少。 2 0 0 6 年，美国加州大学的v a r u nr a g h u n a t h a n 等人第一次在中红外波段的 硅基喇曼放大的进行了实验研究【2 3 l 。实验所采用的波导每个面的反射损耗为 2 9 。分别使用掺钬( 2 0 9i n n ) 和掺铒( 2 9 3 6 岬) 的y a g 激光器光进行泵 浦，发现在2 0 9 岬波长处由t p a 和f c a 引起的非线性损耗很明显，而2 9 3 6l x m 的非线性损耗基本消失，最大透过率达到了5 3 。如图1 1 6 所示： 童 曼 g 墨 垂 叠 图1 1 6 不同波长下泵浦光透过率 2 0 0 7 年，v a r u nr a g h u n a t h a n 等人第一次提出了中红外的硅基拉曼放大器 1 2 4 】，实验采用2 8 8 岬的5n s 脉冲激光作为泵浦源，得到3 3 9l x m 的信号光， 增益可达到1 2d b ，所用的硅波导长度为2 5c m 。喇曼增益在泵浦光强达到一定 程度时达到饱和，这是因为硅样品受到了损坏。 苫三 c 鼍= 9 o n 磊 p u m pi n t e n s i t y m w l e r n 2 】 图1 1 7 斯托克斯开关增益随泵浦光功率增加逐渐增加 1 4 第一章绪论 2 0 0 8 年，德国科学家m i c h a e lk r a u s e 通过计算表明，通过将泵浦光和信号 光制作在很小的环形腔内，可以增强泵浦光的有效利用，实现喇曼放大的最大 增型2 5 】。计算得到当泵浦光功率为lw 时，增益可以达到1 8 2 8d b 。 在中红外波段，波长大于2 2 岬时，双光子吸收和其引起的自由载流子吸 收可以降到可以忽略的水平。但是这其中也会伴随着近红外时没有遇到的困难， 主要包括：一，三光子吸收将会发生；二，自由载流子吸收截面与波长平方成 正比，将会变大；三，自由载流子的热效应会产生额外的载流子。 第三节本论文的主要研究内容 硅基喇曼放大器由于在光电集成、器件小型化和降低成本方面具有独特优 势而受到科学界和产业界的高度重视，尤其是以s o i 为基底的硅基喇曼放大器 的研究，有望实现光放大器与其他光电器件集成在c m o s 硅芯片上，在通信行 业中有着的巨大应用前景。本论文从理论方面对连续光和脉冲光做信号的s o i 硅基喇曼放大器的构建与实现、各项输出特性、以及激光器中非线性效应的影 响进行了研究。本论文的主要在以下两个方面进行了研究： 一，对连续光喇曼放大器进行理论研究，引入硅波导的耦合波方程，推导 出喇曼增益和噪声系数的耦合方程。 研究影响喇曼放大器