硅基超連續(xù)譜的研究進展

　　1. 引言

　　超連續(xù)譜(supercontinuum，sc)是指當一束高強度的短脈沖通過非線性材料時，經過一系列非線性效應與線性色散的共同作用，使得出射光中產生許多新的頻率成分，從而使頻譜得到極大展寬的一種現象。超連續(xù)譜光源在光子學集成回路中有著重要作用，特別是在波分復用系統(tǒng)中扮演著重要角色。使用展寬的激光光源，篩選出所需的波長信道，比使用獨立的光源更節(jié)省能源，也更利于集成。另外，超連續(xù)譜光源在光源檢測、生物醫(yī)學、高精密光學頻率測量等方面有著重要應用。產生超連續(xù)譜的介質需具有非常高的非線性系數以及可調的色散系數，可用于超連續(xù)譜產生的介質很多，例如，單模光纖，光子晶體光纖（photonic crystalfiber，pcf），硅波導，泥酸鋰等。目前以光纖為介質產生超連續(xù)譜的技術已經較為成熟，實現了大范圍的光譜展寬。通過大量的實驗研究證實，在非線性效應強、色散可調的介質中，可在低功率、短距離上實現超連續(xù)譜的產生。例如kumar 等人用75 cm 的sf6 保偏光纖已得到了展寬從350 nm 到2200 nm 的超連續(xù)[1]；b. a. cumberland 使用50 w 的摻y(tǒng)b 光纖激光器泵浦一段20 m 長的高非線性光子晶體光纖，最終得到輸出功率為29 w 的超連續(xù)譜[2]。

　　然而光纖中非線性效應較弱，即使使用經過特殊設計的光子晶體光纖也要有幾十厘米的長度才能得到有效展寬，不利于集成化設計。

　　近幾年，具有低損耗、低功率、小體積等特性的硅波導受到人們的廣泛重視。對硅波導中各種現象機理的研究也日趨成熟。拉曼放大、四波混頻、自相位調制等非線性效應已成功運用于硅波導器件中。硅的三階非線性效應比普通光纖高許多，例如，硅的kerr 系數比普通單模光纖大100 倍，拉曼增益系數比普通單模光纖高三個數量級。并且，硅具有高折射率，能夠將光很好地限制在一個很小的范圍。通過對硅波導尺寸、幾何結構的合理設計，可以實現對其色散系數的可控性。硅波導所具有特殊的色散和非線性特性，使其比普通光纖更易產生超連續(xù)譜。隨著cmos 技術的發(fā)展成熟，在硅波導中產生超連續(xù)譜將有利于超連續(xù)譜的應用向集成化、小型化發(fā)展。與光纖相比，硅波導具有無可替代的優(yōu)勢，可望在通信領域獲得全新的應用，硅材料中實現超連續(xù)譜將為全光通訊翻開嶄新的一頁。

　　2.超連續(xù)譜的產生機制

　　超連續(xù)譜的產生是多種非線性效應與色散共同作用的結果。脈沖光在硅波導中傳播，各種非線性效應，諸如，自相位調制（self-phase modulation，spm），交叉相位調制（cross-phasemodulation，xpm），參量過程，拉曼散射都會起作用。當高強度的短脈沖通過非線性介質時，入射光的瞬時高光強會引起自身的相位調制，即自相位調制。自相位調制會產生新的波長，這是出射光譜展寬的重要來源。隨著光譜成分的增加，交叉相位調制，參量過程以及內拉曼散射作用逐漸增強，使得頻譜進一步展寬。

　　然而，硅是一種半導體材料，具有一些特殊的非線性性質，如雙光子吸收（two-photoabsorption ，tpa）以及由雙光子吸收產生的自由載流子（free-carrier absorption，fca）對入射光的影響，而這種影響可以分為相位調制和吸收兩部分，因此硅中超連續(xù)譜的產生機制比普通光纖更為復雜。雙光子吸收是指在強激光作用下,介質分子同時吸收兩個光子通過一個虛中間態(tài)躍遷到高能態(tài)的過程。雙光子吸收帶來大量能量損失，降低光脈沖的峰值功率，從而限制了脈沖展寬。同時，雙光子吸收過程中會產生大量的自由載流子，高濃度的自由載流子對光脈沖產生相位調制作用而使其藍移，且調制作用與自由載流子濃度成正比。而脈沖后沿會積累大量的載流子，因此脈沖后沿的出射頻譜展寬藍移。于此同時，自由載流子對脈沖后沿產生吸收，使脈沖在時域上整體前移。另外，硅中拉曼散射與光纖中也有很大不同，硅基波導中的拉曼散射增益譜很窄只有105 ghz，并且響應時間約為10 ps，若使用飛秒脈沖入射，拉曼效應可以忽略。