硅激光器谐振腔
• 为了研制激光器, 必须在光放大器中加入光 学反馈。 • 研究人员提出的设计方案是在PIN 二极管波 导端面镀多层膜以形成一个光学谐振腔(见 图)
• 对PIN 二极管波导施加反向偏压并将连续波 泵浦光束输入硅波导腔后, 研究人员观测到 一个具有不同波长的稳定光束由谐振腔射 出, 这就是世界上第1个连续波硅激光器。
• 2004 年, 根据受激喇曼散射效应首次验证 了硅激光器, 而后于2005 年, 连续波喇曼散 射激光器也得到了实验验证。 • 喇曼散射效应方法成功的关键在于解决了 硅的间接带隙问题。
硅激光器的特性
• 硅在>1.1 微米 波长下是透明的。 • 在受激喇曼散射要求的高泵浦强度条件下, 会出现双光子吸收, 这本身不是主要问题, 但产生的自由载流子会引起很大损耗, 对激 光发射产生不良影响。 • 采用一种脉冲泵浦方法。
3、电子- 光子的转换效率非常重要，计算得 到体硅的转换效率为10- 3~10- 6。 • 而一般的化合物半导体转换效率接近1。
硅波导
1、硅波导的提出 • Intel 公司2006年采用标准的互补型金属氧 化导体(CMOS) 技术成功制造出硅波导。 • 此项研究成果不仅表明了硅材料可以用作 光放大和产生激光的光子材料, 而且标志着 这一成果是向在单一硅基底上单片集成电 子和光子线路发展的里程碑。
硅激光器
姓名：刘佳敏 学号：2120160104
研究前景
• 化合物半导体在光电子器件中对光的产生 和放大的重要作用已被人们所共知。 • 实际上, 硅早已成为符合电子集成电路的标 准材料, 并具有低成本的优势, 因此加速硅 光电子器件的研发和新型硅光电子器件的 研制已成为热门的研究课题。
• 被称为硅基光子学的这项技术可与电子集 成电路和微电子机械系统(MEMS) 技术兼容 • 如在用先进技术制造的多功能芯片上可将 电子器件、光学元件和微电子机械系统组 装在一起。
4、减少硅波导中的非线性光学损耗 • 为了减少硅波导中的非线性光学损耗, 必须 减少由双光子吸收产生的自由载流子密度 或缩短有效的载流子寿命。 • 有几种可以缩短硅中载流子寿命的方法, 包 括在硅中引入缺陷。然而, 这种方法会在硅 波导中产生附加损耗。 • 只要成功地控制了硅波导中与自由载流子 吸收相关的非线性损耗, 硅就能放大光。
3、问题的解决 • 从受激的铒离子到硅的反向能量传输产生 的退激发降低了掺铒发光二极管的效率。 如果铒掺杂物耦合入埋置在SiO2 晶格点阵 中的纳米晶中,这一问题会得到解决。 • 量子限域效应增加了硅的有效带隙, 通过受 激纳米晶使铒达到较高能级状态实现高效 泵浦。
• 硅纳米晶中有效能量带隙的增加使铒和硅 材料之间的失配增加, 使反向传输效率降低。 • 纳米晶对铒离子起敏化剂作用, 能使泵浦效 率提高几个数量级, 因此可用低成本发光二 极管泵浦铒。
3、硅波导的损耗 • 为获得低损耗硅波导, 必须降低由制造工艺 导致的波导侧壁的粗糙度, 这是因为硅波导 系统(Si/ SiO) 的折射率约>2, 所以当波导尺 寸很小时, 粗糙度会引起非常大的光传输损 耗。 • Intel 公司利用现代化的先进技术成功制造 出尺寸约为1.5 微m×1.5 微m的光波导, 其传输损耗达0.2~0.4 dB/cm 。
4、进展 • 掺铒纳米晶SiO2 波导对波长1535 nm 的光 获得的增益为0.7 cm- 1。 • 目前铒/纳米晶的增益比不上用InAs 技术生 产的激光器的增益。 • 掺铒纳米晶SiO2 必须有导电包层。
硅产生激光
• 到目前为止, 喇曼散射是在硅材料中产生激 光的唯一可行的方法。 • 常见的硅中受激喇曼散射的增益系数比二 氧化硅光纤的增益系数约高103~104 倍。 • 另外,硅波导可约束的光场面积比标准单模 光纤中的模态面积小100 倍。
2、感生自由载流子密度Neff • 在连续波泵浦中, 感生自由载流子密度Neff 主要取决于双光子吸收产生自由载流子的 速度和载流子衰减速度之间的竞争, 由公式 (1) 给出。
3、双光子吸收的不利 • 正常情况下, 硅的载流子复合寿命相当长(数 微秒到数纳秒), 这说明由双光子吸收感生的 自由载流子吸收可通过受激喇曼散射超过 光学增益, 因此妨碍在硅中获得净增益。
• 利用30 ps, 20 MHz 泵浦光脉冲在硅中获得 了20 dB的最大增益。
在世界首台硅激光器中, 峰值泵浦脉冲功率为9 W 时测得的激光阈值。斜率效率约为34%。激光器产 生的输出脉冲峰值功率>2.5 W。
• 上图表明对长为4.8 cm, 有效总面积约1.7 微m平方的硅波 导腔进行测量, 激光器的输出功率随输入泵浦光功率而变 化的曲线。阈值和激光器的斜率效率均取决于施加到PIN 二极管上的偏压, 因为腔的纯增益取决于偏压。当施加25 V 的反向偏压时, 阈值功率约为180 mW, 斜率效率>பைடு நூலகம்% 。
1、提出 • 一种产生量子限域的可行技术是在二氧化 硅晶格点阵上产生纳米晶。 • 与多孔硅相比, 硅纳米晶具有很高的稳定性 和高质量的Si/SiO2 界面。 • 在硅纳米晶和二氧化硅( 表面状态) 之间的 界面存在的电子能级间的复合对发射性质 起重要作用。
2、对硅纳米晶的研究 • 由于纳米晶体为绝缘材料( SiO2) 中的基质, 不可能利用PN 结, 所以选择金属氧化物半 导体(MOS) 结构来实现光发射器件。 • 硅纳米晶激发是由直接隧穿入纳米晶的热 电子碰撞而产生的。 • 通过增加纳米晶密度降低器件的工作电压, 从而使总效率得到提高
硅激光器的应用优势
1、现有的激光器件如DVD播放机中的激光头大多 是用稀有而昂贵的材料如砷化镓、磷化铟制成。 硅激光器将大大地改变激光—微电子的设计模式 和电路结构，降低成本，提高激光—电子设备的 整体性能。 2、硅激光器系统能在传输指令开启或关闭芯片以及 计算机的使用中扮演重要角色, 是高带宽的硅光学 器件进入主流市场的重要技术, 具有很广泛的应用 前景。 3、可用作生物化学检测的可调谐激光光源，自由空 间光通信和军事防御设施。
制造硅激光器的难点
1、硅是一种间接带隙材 料
• 在间接带隙材料中( 如 硅) , 由声子的吸收或 发射调节复合。 • 这是一个次级过程, 虽 然不是禁戒过程, 但出 现的概率极低。
2、硅辐射复合过程的寿命在毫秒到微秒量级。 • 这表明硅中的辐射过程微乎其微, 通过掺各 种杂质或形成不同缺陷, 可以从实验上观察 到复合过程,但这种过程是非辐射的。
双光子吸收
1、不透明原因 • 在1.3~1.6 微m的光通讯波长, 硅对低功率密度的 光是透明的, 因为其单光子的能量小于硅的能级带 隙(1.17 eV) 。在高光学功率的条件下, 硅就变成 不透明的, 这是因为双光子的结合能量会超过硅的 带隙能量。 • 与Ⅲ-Ⅴ族化合物相比, 硅中的1.55 微m 的双光子 吸收较小, 然而感生自由载流子能引起特别大的光 学吸收, 与自由载流子密度成正比。
PIN型二极管
• Intel 公司的研究人员 采用一个含PIN 型二 极管的硅波导实现了 减少自由载流子吸收。 他们采用离子注入法 在一个本征硅片上的P 型区注入硼, 在N型区 注入三价磷形成了PIN 二极管波导(见图)。
• P型和N型掺杂区相距 足够远, 所以掺杂质区 不存在光吸收。
降低了非线性光学吸收 • 当向器件施加反向偏压时, 外场加速波导中 光生电子和空穴的运动, 这些光生电子和空 穴很快地从光路扫过, 因此降低了有效载流 子的寿命(指载流子跃迁时间), 使自由载流 子密度降低, 非线性光学吸收也随之降低。
2、内量子效率 • 为了实现光放大和产生激光, 必须用电或光泵浦方 法在激活介质中实现纯光学增益。 • 由于硅是一种间接带隙半导体, 与硅中带与带之间 跃迁有关的光发射的内量子效率比直接带隙Ⅲ-Ⅴ 族化合物半导体(如GaAs 和InP) 小许多量级。 • 除硅工程材料, 如硅纳米团束、掺铒富硅氧化物、 位错硅和SiGe 超晶格等材料外, 体晶体硅作为光 子材料用于光放大和产生激光似乎是不可能的。
硅激光器的发展历程
1、用体硅制造的LED 用的典型材料为高纯硅, 获得的电- 光转换效率为10- 4~10- 3。 • 据澳大利亚悉尼的新南威尔士大学的研究 人员介绍, 他们用高纯硅制作的LED 的电光转换效率达1%。 • 硅表面钝化降低与表面态相关的非辐射复 合。
2、尽管利用这种方法可提高器件的转换效率, 但并 不能制成光放大器和激光器。 • 原因：a、体硅中的辐射速率很低, 而获得粒子数 反转需要极高的载流子浓度；b、高载流子浓度会 引起俄歇复合和自由载流子吸收, 因而会妨碍激光 器的运行。 • 如果能克服体硅的低辐射速率问题, 情况将会不同。
3、铒实现光发射的研究 • 铒离子的类原子跃迁能量的相应波长为1.54 微米, 是标准的远程通信波长。 • 硅中的铒发射是通过光产生电子- 空穴对 ( 也可认为是激子) 的载流子的中间过程
4、量子限域效应是克服体硅固有发光效率的 另一种方法。 • 放宽了动量守恒条件, 使辐射复合的几率增 加。
硅纳米晶