硅基喇曼激光器研究进展

　　0引言

　　光纤通信网络的出现和发展，把信息的传输速度和传输容量都推到了极高的水平， 使人类的生产、生活方式产生了革命性的变化。 然而，由于光网络的造价居高不下，光网络的发展在 2000 年达到高峰后，却以罕见的坡度滑落到 2003 年的低谷。 光网络系统的造价主要取决于系统中光器件的成本，而硅则是降低成本的最理想的材料，它不但蕴藏丰富，而且已经发展成非常成熟的 COMS 集成器件制造工艺技术，容易实现器件的高集成化和高成品率。 另一方面，微电子产业在高速发展中，芯片间的通信速度却已接近铜线传输的极限，成为限制计算机设备运行速度的一大障碍。 要解决这一矛盾，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。 而这一目标的实现就需要将通信用光器件和微处理器集成在同一硅片上。 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 IT 产业实现进一步发展的迫切需要。 随着光器件的硅基化的发展，有望应用于生产和生活的各个方面，使人们真正进入光子时代。

　　由于硅基光子器件对于 IT 产业和其他相关产业的重要意义和蕴藏的巨大商机，各种硅基光子器件的研制和开发已经引起科学界和产业界的高度重视。 在各种硅基光子器件中，最为重要的当属作为光源的硅基激光器。 然而硅是一种间接带隙半导体材料，其电子和空穴的本征复合(辐射复合)必须有声子的参与，是一个二级过程，概率很低，而由缺陷和杂质引起的非辐射复合却几率很大，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，因此硅激光器的研制成为一项极具挑战性的课题。为了应对硅在发光方面的困难，国际上各研究小组也提出了很多方法。 但都无法避免俄歇复合和自由载流子吸收的问题。 近几年来，人们提出利用硅材料的喇曼散射效应来实现激光发射的方法，这就避免了硅作为间接带隙材料所具有的发光复合几率低的缺点。 另外通过在硅波导两侧加上偏置电压，就可以有效地将自由载流子清除出光波导，使得俄歇复合和自由载流子吸收大大降低，提高激光发射的可能性。 利用上述技术，Intel 公司的荣海生博士等人于 2005 年研制了第一台全硅喇曼激光器，获得了脉冲、连续光的输出。 并且通过改进技术，研制了硅基级联喇曼激光器，展现出硅光子学发展的光明前景。

　　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。