2018硅基拉曼放大器的研究进展

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　　1 引言
　　光器件提高了人们对于大容量信息传输和数据高速处理的能力，极大的推动了社会的发展。但是光器件的造价很高，高成本限制了其进一步的发展和应用，而硅则是降低成本的最理想材料，硅储量丰富，价格低廉，并且以硅材料为基础已经发展了非常成熟的集成器件制造工艺技术，很容易实现器件的高集成化和高成品率。所以低成本的硅基光器件将在生产和生活的各个方面有极高的实际应用价值，现在已经成为了研究的热点，尤其是作为有源器件的硅基光放大器的研究更是重要的研究课题。
　　在光学介质中实现光放大主要有两种方法，其一是利用受激辐射，其二是利用非线性效应。但是硅是一种间接带隙半导体材料，电子和空穴的辐射复合效率很低，非辐射复合的几率很大，同时还又受到双光子吸收和自由载流子吸收非线性损耗的影响，使其通过受激辐射的方法实现光放大非常困难。但是硅中的非线性系数，特别是拉曼散射系数却很高，这使得受激拉曼散射成为实现硅中光放大的一种有效途径。国内外各小组也对此进行了深入的研究，并取得了一些突破性的成果，其中2004 年，Intel 公司的荣海生等人通过脉冲泵浦在硅波导中得到了2 dB 的净拉曼增益[1]，2005 年，他们又得到了3 dB 的连续光泵浦的净拉曼增益[2]。这一系列研究成果展现了硅基光器件研制的光明前景。
　　2 拉曼散射
　　拉曼散射作为一种非线性效应是在硅中实现光放大的有效方法，其实质是泵浦光子与散射物质的分子发生了非弹性碰撞，在此过程中光子和分子之间发生了能量的交换。其中将低于入射光频率的散射光称为斯托克斯光，高于入射光频率的散射光称为反斯托克斯光。
　　硅是一种间接带隙半导体材料，其辐射复合需要声子的参与，所以发光效率很低，远远小于直接带隙材料，通过受激拉曼散射则可以有效的避免硅材料辐射发光复合几率低的缺点。由于硅基光子器件重要的应用价值，人们很早就开展了硅中拉曼散射效应的研究。1965年，Russel 等人就已经在硅中观测到了后向拉曼散射[3]；1970 年，Ralston 和Chang 等利用YAG 激光器在实验上对硅中的自发拉曼散射效率和受激拉曼散射效率进行了研究[4]，得到硅材料具有很高的拉曼散射效率。2002 年，Jalali 等人第一次对硅材料中的自发拉曼散射系数进行了测量[5]，实验测得硅中的拉曼散射系数为(4.1  2.5) x 10-7cm-1 Sr-1，大约比光纤中高三到四个数量级，并且模式范围比光纤中小100 倍，这使得可以利用受激拉曼散射在较短距离内实现硅中光放大[5][6]；2003 年，Jalali 等得到了0.25 dB 的增益[7]。
　　3 硅基拉曼放大器
　　在硅波导中实现光放大，最主要的阻碍是双光子吸收（Two Photon Absorption, TPA）和由双光子吸收导致的自由载流子吸收（Free Carrier Absorption, FCA）造成的非线性损耗。其中TPA 对于光的损耗很小，基本可以忽略，FCA 是最主要的损耗[7][8]。为了得到净增益，必须减小FCA，目前的主要方法有两个，第一个是采用脉冲泵浦，当脉冲宽度远小于自由载流子寿命而脉冲周期远大于自由载流子寿命时，自由载流子吸收损耗可以忽略；第二个是减小自由载流子的有效寿命。
　　3.1 脉冲光泵浦的硅基拉曼放大器
　　2004 年，荣海生等人第一次报道了脉冲光泵浦的硅基拉曼放大器[1]。其中采用长4.8 cm，有效面积为1.57 m2 的硅波导作为增益介质，当泵浦光强为470 mW 时，得到了2 dB 的净增益。他们采用1545 nm 光脉冲泵浦，其中脉冲间隔远大于自由载流子寿命，从而有效的减小了由于自由载流子吸收造成的非线性损耗，实现了光放大。实验结果所示。
　　3.2 连续光泵浦的硅基拉曼放大器
　　连续光泵浦的硅基拉曼放大器将在生产生活各个方面都有着重要的应用，但是采用连续光泵浦会导致光生载流子在波导内的大量累积，这将产生大量损耗，从而不易实现净增益。
　　这其中最关键的因素是自由载流子较长的有效寿命，为了应对这一困难，提出了通过加反向偏压和离子注入等方法来减小自由载流子的有效寿命，取得了突破性进展，并且在硅波导中已经得到了净增益。
　　2005 年，荣海生等在硅波导中采用连续光泵浦，并且得到了净增益[2]。实验中采用了低损耗的脊形硅波导，如图2 所示，并且在硅波导两侧掺杂，形成 pn 结，通过加反向偏压，在波导内形成电场，有效的清除了硅波导中的自由载流子，减小了自由载流子的有效寿命，从而进一步减小了自由载流子吸收造成的非线性损耗。当反向偏压为25 V 时可以将载流子有效寿命减小到1 ns，泵浦光强为700 mW 时得到了3 dB 的净增益。实验光路和实验结果所示。
　　通过在硅波导两侧形成pn 结，加反向偏压的方法来清除硅波导内的自由载流子存在一些限制因素[9]：第一，外加电场不能超过pn 结的击穿阈值；第二，硅波导中的自由载流子的诱导产生机制双光子吸收是与光强的二次方程正比的，当泵浦光强很大时，会产生大量的自由载流子，通过外加电场使自由载流子在硅波导内定向移动，大量自由载流子在波导两侧的积累会形成附加电场，此电场方向与外加电场正好相反，从而抑制了外加电场对于自由载流子的有效清除。针对这一点，2006 年Y. Liu 和 H. K. Tsang 提出了在硅波导中进行离子注入来减小自由载流子寿命的方法。他们通过在硅波导中进行He 离子注入，有效的减小了自由载流子寿命，进而减小了自由载流子吸收造成的非线性损耗，得到了净增益[10]。通过离子注入，使载流子寿命降到1.9 ns，当泵浦光强为395 mW 时，其中信号光为1556.5 nm，得到了0.065 dB 的净增益。实验结果所示。
　　2006 年，Jalali 等又在理论上提出了基于多孔硅材料的拉曼放大器[11][12]。在多孔硅中，其多孔性和材料的能带宽度是有关的，通过适当的改变其多孔性，可以使能带宽度增加。当满足泵浦光子的能量小于价带和导带之间能量间隔的一半时，双光子吸收消失，那么由双光子吸收导致的自由载流子也可忽略，从而有效的减小了非线性损耗。并且可以使硅基拉曼放大器的增益大幅提高。理论分析的结果所示。
　　3.3 中红外波段的硅基拉曼放大器
　　工作于中红外波段的光子器件在生物医学探测、遥感、以及军事方面都有重要应用，因此具有很高的研究价值。而硅材料在此波段具有良好的透过性，而且其能带宽度为1.12 eV，当光波波长大于2.2 m 时，光子能量小于能带宽度的一半，双光子吸收消失，由双光子吸收导致的自由载流子也随之消失，使得TPA 和FCA 非线性损耗均可忽略。这为研制在中红外波段工作的硅基光子器件提供了良好的条件。2007 年，Jalali 等第一次报道了中红外波段的硅基拉曼放大器[13][14]。实验中采用2.88 m 脉冲泵浦，硅波导长度为2.5 cm，泵浦光强为217 MW/cm2，其中得到的信号光波长为3.39 m，增益达到12 dB，，这为实现中红外波段的硅基光放大提供了良好的途径。实验结果所示。
　　3.4 硅基拉曼放大器的噪声
　　噪声是限制光放大器实际应用的主要因素，对于硅基拉曼光放大器噪声的分析与计算，是硅基拉曼放大器实际应用的基础。2008 年，Jalali 等通过运用量子光学的Langevin 近似第一次计算了硅基拉曼放大器的噪声[15]。通过理论分析指出双光子吸收和自由载流子吸收非线性损耗是导致噪声的主要因素，通过减小自由载流子寿命，降低自由载流子吸收损耗可以有效的减小硅基拉曼放大器的噪声。其中对于通信波段的硅基拉曼放大器（=1.55 m），当自由载流子寿命小于0.1 ns 时，噪声可以降到实际应用的允许范围之内。而对于波长2.2m 的中红外波段，由于不存在双光子吸收和自由载流子吸收非线性损耗，所以其噪声接近理论极限3 dB。理论分析结果所示。
　　4 总结
　　硅基拉曼光放大器的研究具有重要的意义，其中自由载流子吸收是阻碍硅波导中实现光放大的最主要因素，为了应对这一非线性损耗的影响，可以利用脉冲光泵浦来减小自由载流子的影响；利用离子注入和pn 结反向偏压减小自由载流子有效寿命；或使用中红外波段光泵浦来抑制双光子吸收，进而抑制自由载流子吸收损耗。以上方面已经取得了突破性的进展，但是目前硅基拉曼放大器的研究还不是很完善，其中主要是增益不高和噪声太大，这需要对其进行进一步研究并对各个参量进行优化。总之，硅基拉曼放大器的研制成功，为高科技光子技术产业提供了新的发展方向，在光子学方面开辟了新的研究领域。