硅激光器
光子集成芯片你知道吗？三种硅基激光器详解
光子集成芯片你知道吗？三种硅基激光器详解
硅基激光器是用于硅基光子集成芯片的重要器件，为硅基光电子集成芯片提供光源。
然而，由于硅材料本身的缺陷，很难用于实现硅基红外光源。
因此，如何实现硅基激光器是硅基光子学的研究热点之一。
目前，硅基激光器主要有三个技术方向：1.将半导体激光器封装在Laser-Box中，通过光栅耦合器耦合进硅波导中；2.将III-V族的DFB芯片倒装焊（flip-chip）在SOI晶圆上，将光通过端面耦合进硅波导；3在SOI晶圆键合III-V族材料，然后再制作激光器，通过倏逝波耦合将光耦合进硅波导。
方案1以Luxtera为代表，通常在实用中需要定制大功率的激光器芯片。
参考图1。
图1 、Luxtera开发的硅基激光器
方案2，欧洲和日本的研究单位研究的较深入，它将III-V族的DFB芯片通过端面耦合到SOI的光回路中。
在工艺方面，这种方案对于DFB芯片波导和Si波导对准及端面反射的要求非常严格，通常要求对准精度Intel为代表，将III-V材料通过wafer-bonding的方式键合在SOI晶圆上，利用硅波导。
硅激光器制造技术已经成熟了吗？
体硅 的低辐射速率问题 ，情况将会不 同。
在掺铒光纤中成功地实现了光放大 ，这一成果
推动 了用 硅 中的铒 实现光发 射的研 究 。实 际上 ，铒 离 子的类 原子跃 迁 能量 的相 应波 长 为 １ ４ Ｉ ． ｍ，是 ５ ． Ｌ 标准 的远 程通信 波长 。掺铒 玻璃 的发光 与泵浦 光子 的共振 吸收相关 ，与此不 同 ，硅 中的铒 发射是通 过
另 一方面 ，通过 实验测 量的硅辐 射复合 过程 的 寿命 在毫秒到微秒量级 ，这 与杂质或缺 陷浓度 有关 。 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 ， 这种过 程是非辐射 的 ，产 生 的能量最 后 以热 的形式
子浓 度 ；但高 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 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 Ｓ ＳＯ 界面 。离 子注入 ｉ ｉｚ ／ 法 是生长 纳米硅最 广泛使用 的技术 ，将 硅注入 到超 纯石英基 底 中 ，并用超量 硅沉积 二 氧化 硅薄 膜 。在 典型情况 下 ，纳米 晶的直径 约为 ３ｎｌ ｎ，形成 的体密
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硅 激 光器 制造技 术 已经成 熟 了吗？
● 王 玉 英
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 （ ＭＳ ＭＥ ）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
会“发光”的芯片——混合硅激光技术解析
会“发光”的芯片——混合硅激光技术解析光的速度让我们叹为观止，你是否想过有一天，计算机的速度就像光那样快？或许你认为这是天方夜谭，但科学家正不遗余力地把这一想法变成现实。
2006年9月18日，来自英特尔公司和美国加州大学圣芭芭拉分校的研究人员成功研发了世界首个采用标准硅工艺制造的混合硅激光器（Hybrid Silicon Laser），这项技术的突破有望把计算机带入光速时代。
光是如何与硅芯片擦出“爱”的火花呢？人们为何垂青硅激光芯片？硅激光芯片就是可以让激光通过的硅芯片，同今天我们熟悉的电子计算机不一样，它是以激光作为数据传输的载体。
当硅激光芯片广泛应用于计算机内部时，陪伴我们多年的电子计算机就要开始改名换姓了，它将被全新的名称——“光计算机”所代替。
以激光作为计算机数据的传输载体，其优势早就为科学家们所熟知。
其一，数据传输带宽将达到令人难以相信的程度。
我们知道，光的传播速度高达每秒30万公里，而电子的传播速度仅为每秒593公里，两相比较，电子的运动速度慢得就像蜗牛在爬。
光的极速特性决定了它在传输带宽上的提升潜力，今天我们在为传输带宽的提升而绞尽脑汁，明天只需几条光束就可以达到同样甚至几倍的水平，这就是光计算机的魅力！其二，并行运算处理将变得更加容易。
在当前的服务器领域，AMD的HyperTransport总线备受欢迎，一个重要的原因就是它可以让并行运算更加高效。
不过在光计算机的眼里，HyperTransport的这点功夫根本不值一提。
电子是沿固定线路流动的，我们无法随意改变它流动的方向，而光就不一样了，我们可以利用反射镜、棱镜、分光镜等光学设备，随意控制和改变光的方向，这样一来，数据就能轻而易举地流动到不同的处理核心，核心之间的数据交换将变得更加高效，多处理器的并行运算将迎来一个崭新的时代。
其三，有助于芯片体积进一步缩小。
电子计算机利用电子传输信息，容易受磁场影响，而光计算机利用光子传输信息，不会受磁场影响，而且光线相交时也不会互相干扰。
英特尔成功研发全球首枚电力混合硅激光器
（ ｒ ａ ｉｃａ Ｍａｉ Ｐ ｎｃ ｉ）指 出 ： “ 管 （ｔｒ ｒ Ｏ ｔ ａ Ｒ ｎ ｅ ｏ 尽 Ｓａｆｅ ｐｉ ｌ ａｇ ）完 成 首 次 ｉ ｃ
离 商 品化 仍有 很 长 距 离 ，但 我 们 空／ 基 中 继 反 射 镜 系 统 天
一
全球首枚 电力
混合 硅 激 光 器
来 自英 特 尔 公 司 和 美 国加 州 项 目 ，充 分 体现 了产 业 和学 术 界
系列后 续 工 作 ，以证 实 这类 系
大 学 圣 芭 芭 拉 分 校 （ Ｃ Ｂ） 的 可 以通过 合 作 来推 动 科 学 技术 的 统可 实用 化并 具有 作 战能力 。 Ｕ Ｓ
耦 合 提 供 高 亮 度 解 决 方 案 。 此 低 成本 。 外 ，Ｂ ｏ ｈ ｍ 同 时 推 出 的 ３ ｏｋａ ０Ｗ 这 项 技 术 使 未来 的计 算 机 内
美空军继续开展 高能
激 光束 中继 反射
镜 的研 究
在 与 波 音公 司 成 功地 在 新 墨
ｍａｉｈｐ可 从 ８ ０ Ｉ 发 射 区 域 部 可采 用 低成 本 、万 亿 比特 （Ｂ ｘ ｉ ｃ ０ ｍ ｘ Ｔ）
英 特 尔 成 功研 发
相 信数 十 个 、甚 至 数 百 个混 合 硅 （ ｅｏｐｃ ｅ ｙ Ｍｉ ｏ ｙｔｍ， Ａ ｒｓａｅ Ｒ ｌ ｒ ｒＳ ｓ ａ ｒ ｅ
激 光器 会 和 其他 硅 光 子学 部 件 一 Ａ ＭＳ 的 可 行 性 验 证 试 验 后 ， Ｒ ） 起 ， 将 被 集 成 到 单 硅 基 芯 片 位 于 该基 地 的美空 军 研 究 实验 室 上 。 我 们 和 英 特 尔 公 司 的研 究 ｆ Ｆ Ｌ ” Ａ Ｒ ）定 向能 理 事 会 现 正 开 展
硅在电子材料中的应用领域
硅在电子材料中的应用领域硅是最常见的半导体材料之一，在电子材料领域具有广泛的应用。
本文将从硅在半导体器件、光电子器件和太阳能电池等方面的应用进行阐述。
首先，硅在半导体器件中的应用广泛而重要。
半导体器件是电子产品中最基本的组件，如晶体管、集成电路和电子计算机等，而硅是制造这些器件的关键材料之一。
在半导体器件中，硅是一种常用的基底材料，它具有良好的机械性能和稳定的性能，并且可以通过不同的掺杂来改变其导电性质。
通过控制硅材料的结构和掺杂方式，可以制造出不同类型的半导体器件，例如PN结、场效应管和双极晶体管等。
整个现代电子行业都离不开硅材料的应用。
其次，硅在光电子器件中也发挥着重要的作用。
光电子器件是将光能转化为电能或利用光来处理信息的器件，例如光电二极管和激光器等。
在光电二极管中，硅材料作为光电基底具有良好的光电特性和稳定性，能够快速、高效地转化光信号为电信号。
激光器是一种利用激光辐射放大的设备，常用于通信、医疗和材料加工等领域。
硅材料作为光电基底可以实现高效的能量传输和控制，在激光器中被广泛使用。
另外，硅在太阳能电池领域也有重要应用。
太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的装置，在可再生能源领域具有重要意义。
硅太阳能电池通常采用单晶、多晶或非晶硅材料制造，这些材料具有较低的能带宽度和较高的光电转换效率。
硅太阳能电池具有良好的耐久性和稳定性，并且在光照较弱的情况下也能有效工作。
目前，硅太阳能电池是商业化应用最广泛的太阳能电池技术之一。
此外，硅材料还广泛应用于电子封装和散热材料等方面。
在电子封装中，硅材料作为芯片的载体能够提供良好的机械支撑和保护，同时也能够有效地散热。
硅材料具有优良的导热性和导电性能，可用于制备高效散热材料，提高电子设备的稳定性和可靠性。
综上所述，硅在电子材料中具有广泛的应用领域。
它在半导体器件、光电子器件和太阳能电池等方面发挥着重要的作用，并且在电子封装和散热材料中也具有重要地位。
随着科学技术的发展和需求的增加，硅材料在电子材料领域的应用前景仍然十分广阔。
第一支廉价、高质连续波硅激光器
块则 以机械固定方式以准冷锻法固定于轴套上。 法兰盘和轴套上开孔可节约材料， 而且在 与 滚动轴承装配时可起到平衡作用。
（ 英惠 杨 摘译 ）
匀 动态； 桷
２０ ０ ９年 Ｓ 电子器件市场将扩大 ４倍 ｉ Ｃ
德国市场分析公司 Ｗｉ ｔ ｃ 工艺顾问 （ Ｃ ｈ ＷＴ ）公司报道，到 ２ ０ 年，ＳＣ电子器件市场 ０９ ｉ 将达 ５ ０ 多万度蓝、绿和白光 Ｌ Ｄ ０ ｉ Ｅ ，但用于电源和电气马达的节能、 高性能二极管和晶体管将为 ＳＣ开辟 新的市场。 ｉ 相关公司预计， ｉ ＳＣ肖特基二极管和 晶体管市场将从 ２０ 年 的 １０ 万美元增加到 ２０ ０４ ３０ ０９
年的 ５ ０ 万美元，年复合增长率 ３％。 ３０ ２ ＷＴ Ｃ人士指出：Ｓ 肖 ｉ 特基 二极管与其 同类 Ｓ 器件相比，正向偏置时损耗低得多，工 Ｃ ｉ
１ ６
美国 Ｆ ＭＳ公司制成了粉末冶金铁制齿轮组用于取代工业喷漆器 中的加工锌模铸件，可
使成本下降 ３ ％。 ０ 这种零件在 ２０ ０４年粉末冶金设计竞赛中获得 了铁制 品类荣誉奖。该组件由 １ １ ０ 齿的螺 纹环状齿轮、 轴套及平衡块组成。 用专有加热工艺将螺纹环状齿轮与轴套组装一起， 而平衡
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２０ 年 第 ２ ０６ 期
第一支廉价 、高质连续波硅激 光器
美 国因特尔公司用标准硅生产工艺制 出了第一支连续波硅激光器 。 该工艺有助于将低成
本 、高质量激光器和光学器件用于计算机 、通信和医学器械，成为主流产品。 研究人员发现了将拉曼效应和硅 晶体结构用于将光放大的方法。 将外来光源注入实验硅 芯片时，会产生连续的、高质量激光束 在商业化之前，还需要进一步开发工作， 届时将 出 现廉价的光学元件 ，它们可以光束运作数据、推动高速运算的新应用涌现。 制造激光器首先刻蚀出一个波导， 一个在芯片上为光线设置的导管。 硅对红外线是透明 的，当光线指向波导， 它会经过这个沟道穿越芯片 。 光线被泵入芯片 ， 硅中原子的天然振荡
硅基激光器原理
硅基激光器原理
硅基激光器是一种基于硅材料的激光器。
通常情况下，硅材料是无法直接产生激光的，因为硅是间接带隙半导体材料，其能带结构限制了光子的辐射。
然而，通过一些特殊的结构设计和技术改进，硅基激光器可以实现激光输出。
硅基激光器的工作原理主要涉及硅材料和其他辅助材料，如掺杂材料和波导结构。
以下是硅基激光器的工作原理的概述：
1. 掺杂：硅材料通常较难实现直接辐射，因此使用掺杂技术来改变硅的能带结构。
通过掺入适当的杂质，例如磷(P)或铜(Cu)，可以实现更直接的能带结构，从而改变硅的光特性。
2. 波导结构：硅基激光器通常采用波导结构来增强光的传输和反射。
波导可以通过控制硅层的折射率来实现，从而将光限制在硅波导中。
3. 注入电流：在硅波导中，注入电流可以通过电子和空穴的复合来产生光子。
通过应用合适的电场和电流，可以激发掺杂材料中的电子和空穴，并在注入区域产生光。
4. 反射和放大：波导结构中的反射镜将光反射回注入区域，增强光子的发射。
同时，掺杂材料中的激发态可以通过受激辐射放出更多的光子，实现光的放大。
5. 反馈和振荡：当放大的光超过一定程度时，反射镜的反射将形成正反馈回路。
在正反馈的作用下，光能量可以在波导中被
反复反射和放大，最终形成激光输出。
值得注意的是，硅基激光器的制造和工作原理相对复杂，通常需要特殊的技术和设备来实现。
然而，由于硅材料的丰富性和成熟的半导体工艺，硅基激光器在集成光子学和光通信等领域具有巨大的潜力。
探析硅光学技术的原理、种类及优势
探析硅光学技术的原理、种类及优势当互联网流量在用户和数据中心之间传递时，越来越多数据通信发生在数据中心，让现有数据中心交换互联变得更加困难，成本越来越高，由此技术创新变得十分重要与紧迫。
现在有一种半导体技术——硅光子，具有市场出货量与成本成反比的优势，相比传统的光子技术，硅光器件可以满足数据中心对更低成本、更高集成、更多嵌入式功能、更高互联密度、更低功耗和可靠性的依赖。
微电子技术按照“摩尔定律”飞速发展已有五十几年了，但随着器件的特征尺寸减小到十几个纳米以下，微电子产业能否再依照“摩尔定律”前进已面临挑战。
器件的速度、功耗和散热已经成为制约微电子技术发展的瓶颈。
另一方面，基于计算机与通信网络化的信息技术也希望其功能器件和系统具有更快的处理速度、更大的数据存储容量和更高的传输速率。
仅仅利用电子作为信息载体的硅集成电路技术已经难以满足上述要求。
因此，应用“硅基光电子技术”，将微电子和光电子在硅基平台上结合起来，充分发挥微电子先进成熟的工艺技术，大规模集成带来的低廉价格，以及光子器件与系统所特有的极高带宽、超快传输速率、高抗干扰性等优势，已经成为了信息技术发展的必然和业界的普遍共识。
什么是硅光技术?硅光子是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术,用激光束代替电子信号传输数据,她是将光学与电子元件组合至一个独立的微芯片中以提升路由器和交换机线卡之间芯片与芯片之间的连接速度。
硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料(如SiGe/Si、SOI 等)，利用现有CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，是应对摩尔定律失效的颠覆性技术。
这种组合得力于半导体晶圆制造的可扩展性，因而能够降低成本。
硅光子架构主要由硅基激光器、硅基光电集成芯片、主动光学组件和光纤封装完成，使用。
硅基光子器件研究进展及其在光陀螺与光通信中的应用
万方数据 万方数据３期燕路等：硅基光子器件研究进展及其在光陀螺与光通信中的应用５４９的ｐ－ｉ—ｎ结构有效地降低了自由载流子的有效寿命，他们采用标准微电子工艺制作了第一个连续波长硅基拉曼激光器。
激光器结构如图１所示［２７。
脊型波导是在未掺杂的ＳＯＩ结构Ｓｉ的［１００１表面上：通过标准的光刻和蚀刻工艺制成，在其两侧的平板分别注入硼和磷形成ｐ－ｉ—ｎ结构，反偏的ｐ－ｉ—ｎ二极管大大降低了ＴＰＡ引发的载流子吸收。
当给它加反偏电压时，ＴＰＡ产生的电子一空穴由于受到ｐ－ｉ－ｎ结构的电场作用，被迅速地清除出了波导区，因此有效载流子寿命随着反偏压的增强而减小。
这一结构成功得到｜ｒ稳定的边模抑制比为５５ｄＢ，线宽小于８０ＭＨｚ的单模激光输出。
其激光阈值依赖于反偏电压，波长可通过改变抽运波长调节。
图１第一个连续硅基拉曼激光器结构示意图∞３Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔＣＷｓｉｌｉｃｏｎＲａｍａｎｌａｓｅｒＣ２７】硅基拉曼激光的实现是硅激光领域内的重要突破，但足它仍然只实现了红外波段激光，未能实现可见光波段激光。
在Ｉｎｔｅｌ报道了他们的拉曼激光后，Ｓｔｅｃｌｄ研究组阳８］寅布，他们研制成功世界卜第一个可见光波段的硅激光器。
他们在硅衬底上用分子束外延技术生长了Ｅｕ３＋掺杂的多层ＡＩＧａＮ结构，实现了室温下阈值约为１１７ｋＷ／ｃｒｎ２，波长６２０ｎｌｎ的激光输出。
２００８年，Ｒｏｎｇ研究组乜列又报道了级联式拉曼激光，利用受激拉曼散射的级联效应将硅基拉曼激光波长拓展至１６８６ｎｍ和１８４８ｎｍ。
这一激光器采用环形谐振腔和１５５０ｎｍ光抽运，实现了稳定的、连续的、输出功率超过５ｍＷ、线宽小于２．５ＭＨｚ的１８４８ｎｍ二阶级联激光，为实现更高阶拉曼激光铺平了道路。
尽管上述研究已经取得突破性进展，但是仍然面临一个问题：即以上述及的激光器都需要抽运光激发，若想将硅基激光器完全地单片集成，就必须实现载流子注入（电抽运）形式的激光光源。
vcsel激光器工作原理
vcsel激光器工作原理VCSEL（可变外延结构激光器）是一种新型的激光器，与氦氖激光器相比，它具有更小的尺寸、较高的功率、较低的功耗以及更低的成本。
据估计，它可能会在未来几年里不断改善，从而成为众多工业界、医疗界和科学界的最爱。
VCSEL的名字源于它的ATMEMC（可变外延结构激光器）结构，该结构采用激光量子点（LQD）来实现激光发射。
VCSEL是一种半导体激光器，它由金属（通常是铜或铱）与半导体（如硅）构成。
它以金属极（堆叠层）和金属电极（用于加在堆叠层）为基础，并以六角形和八角形激光量子点（LQD）为中心。
金属极将电流封装到LQD中，而LQD又分布在堆叠层中，使得堆叠层下的金属电极与堆叠层上的金属极和LQD（半导体）之间形成了一个非常紧凑的结构。
LQD被电流释放出来时，它会发出低功率的可见光和近红外光，这就是VC激光器的发射原理。
这种激光器的输出功率可以有效地控制，使用者可以根据自己的需要调节功率以获得最大的精度或最低的功耗。
由于激光器内部可变外延结构（ATMEMC），它可以产生大功率、固定频率（小偏差）、宽带发射波形，因此VC激光器常用于激光打印、激光雕刻、激光焊接以及激光投影等应用。
此外，VC激光器还可以用于光学传感器应用，比如非接触式光速测量仪。
它利用激光器明确每个光学路径上的物体位置，从而改变光学路径的时间。
VC激光器的小尺寸和低功耗对这种应用尤为重要。
最后，VC激光器还可以用于光纤通信设备。
这种激光器可以用来收发光信号，从而实现高速数据传输。
VC激光器可以很容易地把数据信号转换为光信号，并使用多模光纤将信号传输到远程地点。
这可以大大降低传输数据的成本，同时节省电力和实现高速传输。
总之，VC激光器因具有小尺寸、较高功率、较低功耗和更低的成本而受到越来越多的关注，并可能在工业、医疗和科学等各个领域取得发展。
VC激光器的原理是通过电流释放LQD以及改变ATMEMC结构，使得它可以产生高功率、固定频率、宽带发射波形，因此VC激光器常用于激光打印、激光雕刻、激光焊接以及激光投影等应用中。
硅拉曼激光器的设计与典型应用
当入射 光源 强 度 很 高 时 ， 介 质感 应 出 的偏 振
态 Ｐ 的表 达式 将 会 包含 与 电场 Ｅ 的线 性 和 非 线
性关系：
本 文基 于 Ｓ ｉ 波 导 结 构 以及 Ｓ Ｒ Ｓ机 制 的激 光
Ｐ＝ｅ ｏ １ ・ Ｅ＋￡ ０ ； ｃ ２・ｌ ＥＩ ＋ｅ 。 ３ ｆ Ｅ『 。 ＋… ，
（ ＣＲＤＳ） ； Ｔｗｏ Ｐｈ ｏ ｔ ｏ ｎ Ａｂ ｓ ｏ ｒ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎ （ ＴＰＡ） ；Ｆ ｒ ｅ ｅ — ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｒ Ａｂ ｓ ｏ ｒ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎ （ Ｆ ＣＡ ）
ｓ ＝ ＝ ＝ ∞Ｌ 一 ，
（１ ）
１ 引 言
传 统激 光器 在工 程应 用 中存 在着 光功 率输 出
式 中： 为 入射 光 子 角 频 率 ； 叫 为散 射 的斯 托 克 斯光 子角频率 ； 为 去 谐 匹 配 频 率 。入 射 光 子
（ 角频率 为 ） 与散射 的 斯托 克斯 光 子 （ 角频 率 为
∞
不平 坦 、 输 出功 率密 度低 、 非线 性光 学 损耗严 重 等
其光 学性 能 的研 究成 为 了理论 和应 用上 极具 特点 的研 究 主题 ＿ 】 ］ 。硅 的拉 曼 增 益 系数 比石 英 玻 璃 的拉 曼增 益 系数要 大 ４个 数量 级 以上 。受激 拉曼 散射（ Ｓ Ｒ Ｓ ） 是一种三阶非线性效应 ， 是 强 激 光 的 光 电场与 原子 中 的 电子 激发 ， 分 子 中的振 动或 与
ｎ ｓ Ｃ Ｃ ｅ ｘ ｐ（ ｇ Ｉ Ｌ ｚ） ， （ ６ ）
器实 现 了从 １ ５ ２ ２ ～１ ６ ５ ３ ． ７ ２ ｎ ｍ 工作 波 长 的 扩 展 。 由于 Ｓ ｉ 中的拉 曼增 益 系数 非 常大 ， 使得 Ｓ Ｒ Ｓ
硅表面生长纳米激光器技术问世
太阳能电池等带来新的突破。 硅材料奠定 了现代 电子学的基础 ，但 它 在发 光领 域 还有 很 多 不 足 之处 。 工程 人 员 转 向 了另 外 一族 名 为 Ｉ —Ｖ半 导体 的新 Ｉ Ｉ 材 料 ，以此 来 制造 光 基 元件 ，如 发光 二 极
光 学 精 密 机 械
研究 人员 模 拟 了多 种不 同类 型 以及 尺 寸 的纳 米材 料 ，以测 定 其 对 太 阳 能 电池 吸 光 效 率 的影 响 ，并 决 定 从 铝 粒 子 和银 粒 子 中确 定 最 终 “ 选 ” 人 ，为 此 研 究 人 员 还 专 门对 两 者在 太 阳 能 电池 中的 性 能进 行 了 比 较。
光 能 利用 率 ，还 能在 作 物 不 同 的生 长 阶 段 有 的放 矢 地促 进 作 物 生长 ， 比如 红 光有 助
促进作物长 高，蓝光有 助作物形 成胚芽 。
在 １ ％ 和 ３ ％ 范 围 内有 针 对 性 地 调 整 蓝 ０ ０
光在 总光 照 中的 比例还 可 节约 化肥 。 西 门子公 司表 示 ，红 光加 蓝光 Ｌ Ｄ系 Ｅ 统 的发光 效率 比传 统 高压 钠 灯 高 ６ ％ ，而 ０ 且 Ｌ Ｄ光源使 用寿命 平均 为 ｌ Ｅ ０万 小 时 ， 可 以长 年免维 护 。
出一 种 发 深 红光 的发 光 二 极 管 （ Ｅ Ｌ Ｄ） 温 室补光光源 ，能更有效满足作物光合作用 的需 要 ，节能 效 益也 更 明显 。 近 年 来大 功 率 Ｌ Ｄ的研 发成 功 为这 一 Ｅ 技术 在 温 室 补 光 方 面 的 应 用 奠 定 了基 础 。 西 门子 公 司近 日发 表 新 闻 公报 说 ，其 子公 司 “ 欧司朗光 电半导体”开发 的这种 Ｌ Ｄ Ｅ 温 室补 光 光源 发 光 波 长 达 到 ６０纳米 ，对 ６ 植物光合作用非常适宜。 此 外 ，这 种 Ｌ Ｄ 光 源 能 将 ３ ％ 的 输 Ｅ ７ 入电能转换为光 能输 出，发光效率在 同色 光 源 中 已名列 前 茅 ， 因而 与传 统 温 室 补 光 源 相 比更 为 节 能。 西 门子公司称 ，丹 麦 的一个 试点项 目使 用大 约 ５ ＡＴ 种 Ｌ Ｄ光源为几千平方 米的 万 ＇＿ Ｅ Ｙ
新型硅激光器系统的优化设计
ｆ ｒ ｌ ｅ ｖ ｔ ｎ ， ｅｗａ ｅ ｒ ｆｔｅ ｐ ｍｐ ｂ ａ ａ ｄ ａ ｏｍｕ ａ ｄ ｒ ａｉ ｓ ｔ ｖ ｆ ｍｓｏ ｕ ｅ ｍ ｎ ｌ ｉ ｏ ｈ ｏ ｈ ｌ—ｓｌ ｏ ａ ｅ ｅ ｍ ｒ ｈ ｗ ．Ｔ ｅｓ ｓ ｍ ａ ｅ ｉｔ — ｉ ｃ ｎｌ ｓ ｒｂ ａ ａ ｅｓ ｏ ｎ ｈ ｙ ｔ ｃ ｎ ｂ ｅ ｉ ｅ ｎ
新 型硅 激 光 器 系统 的优化 设 计
尉 然 ， 志友 ， 郭 张建 中 ， 刘松麟
（ 华南师范大学信息光电子学院光电子材料 与技术研究所 ， 东 广州 ５０ ３ ） 广 １６ １
摘 要 ： Βιβλιοθήκη 过在硅 波 导上 添加反 向偏 压 的 ＰＮ结 构 ， 立 了完整 的全硅 激光器 系统 。该系统 包 Ｉ 建
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第３ ７卷 第 ９期
２０ ０ ７年 ９月
激 光 与 红 外
Ｌ Ｅ ＡＳ Ｒ ＆ Ｉ ＲＡＲ ＮＦ ＥＤ
Ｖｏ ． ７， １ ３ Ｎｏ． ９ Ｓｅ ｅ ｐｔｍｂｅ ， ０ ７ ｒ２ ０
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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