矽雷射器輸出中紅外雷射

2020-11-24 OFweek維科網

    作者： D. Jason Palmer

 

    目前，雷射器的輸出波長很難覆蓋電磁波譜中的中紅外波段，已有的中紅外雷射器不但體積龐大，而且結構複雜。而小型中紅外矽雷射器的問世有望使這一局面在不久的將來得到改觀。

 

    英特爾公司的研究人員Haisheng Rong和他的同事在矽片上展示了世界上第一款中紅外輸出的「級聯拉曼」雷射器。2006、2007年研究人員就提出了中紅外矽雷射器的設計原理，即在一個設計巧妙的矽微腔中，使泵浦光經歷多次斯託克斯頻移，最終獲得中紅外雷射輸出。

 

    2004年1月，加州大學電子工程師Ozdal Boyraz展示了世界上第一款拉曼矽雷射器，他表示：「拉曼效應是拓展已有雷射器輸出光譜範圍的有效工具。拉曼效應與波長無關，拉曼頻移的大小由振蕩聲子決定，一階拉曼效應產生的頻率下轉換信號可以作為下一階拉曼效應的泵浦光。」

 

    Boyraz的研究結果表明，矽中一階拉曼效應的峰值波長在1675nm處。通過級聯的拉曼效應可以將輸出波長拓展到中紅外波段（見圖1）。在二氧化矽光纖和微腔中已經展示了級聯的拉曼效應，但是光纖在中紅外波段損耗較大。相比之下，矽在中紅外波段不但拉曼增益較高，而且損耗很小。

 

 

    圖1. 絕緣體上的矽拉曼雷射器，諧振腔採用跑道形結構，波長為1550nm的泵浦光通過拉曼效應產生頻率下轉換的波長為1686nm的一階Stokes光，一階Stokes光作為二階拉曼效應的泵浦光，通過多階拉曼級聯效應，最終獲得中紅外雷射輸出。

 

    光譜純度


    英特爾光子技術實驗室的負責人Mario Paniccia一直致力於推動矽雷射器的研究，Mario Paniccia表示：「這項研究始於對微處理器進行光學測試的過程中，我們發現測試設備異常昂貴，所以打算開發基於矽的光學設備。在研究過程中，我們瞄準了拉曼效應，並且認定如果我們沿著這條路一直走下去，一定可以獲得中紅外雷射輸出。」

 

    英特爾研發的這款雷射器由絕緣體上的矽波導形成，諧振腔採用跑道形結構，腔長為3cm（見圖2）。輸入泵浦光的波長為1550nm，輸出拉曼雷射波長範圍為1686～1848nm，二階拉曼輸出的峰值功率高達5mW。通過改變泵浦光的波長，同時溫控諧振腔保證泵浦光與諧振波長相匹配，可以實現波長可調的雷射輸出。由於載流子吸收效應將極大地降低諧振腔內的拉曼增益，因此通過在波導的兩側添加p-i-n電極消除載流子效應。在偏置電壓為25V時，載流子吸收效應降低35倍。

 

    Paniccia表示：「實驗結果令人非常驚訝，輸出光譜的純度和穩定性都非常高，輸出雷射的超低線寬甚至已經超出了測量儀器的精度。為了驗證該款雷射器在氣體傳感領域的應用，研究人員測量了水和甲烷的吸收光譜。通過獲得的高解析度光譜，甚至可以觀察到甲烷分子的軌道效應。」

 

    潛在應用


    Boyraz對這一結果非常感興趣，他認為：「這一結果為開發室溫工作、輸出波長為2.5～7μm的高功率中紅外雷射器帶來了曙光。從通信波段拓展到中紅外波段是一個巨大的挑戰，基於目前的研究結果，要真正實現這一目標仍然有一段很長的路要走。在每一次頻率下轉換的過程中，拉曼效應都必須與非線性損耗競爭，這些非線性損耗包括簡併和非簡併的雙光子吸收，以及載流子吸收。」Boyraz建議將泵浦光的波長控制在2μm附近，這樣非線性損耗將降低幾個數量級。

 

 

    圖2. 利用成熟的CMOS工藝，「無鏡」環腔雷射器可以集成在一塊晶片上。通過直波導將泵浦光耦合輸入，同時將拉曼雷射耦合輸出。波導和諧振腔之間的定向耦合器通過恰當的設計，可以控制泵浦光和拉曼雷射的輸入與輸出。

 

    拉曼矽雷射器的小尺寸和低閾值特性使得其特別適合作為微型傳感器，並與無線發射器相結合，使其在工業領域有廣泛的應用前景。該款雷射器的潛在應用還包括生命科學領域。Paniccia表示下一步是設計寬波段工作的可調諧耦合器，用於製備小型紅外光譜儀。

 

    參考文獻


1. O. Boyraz and B. Jalali, Opt. Express 12, 5269 (2004).
2. Rong et al., Nature Photonics, DOI: 10.1038/nphoton.2008

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