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硅激光器输出中红外激光

2008-08-19 14:58
人在旅途20
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    作者: D. Jason Palmer

 

    目前,激光器的输出波长很难覆盖电磁波谱中的中红外波段,已有的中红外激光器不但体积庞大,而且结构复杂。而小型中红外硅激光器的问世有望使这一局面在不久的将来得到改观。

 

    英特尔公司的研究人员Haisheng Rong和他的同事在硅片上展示了世界上第一款中红外输出的“级联拉曼”激光器。2006、2007年研究人员就提出了中红外硅激光器的设计原理,即在一个设计巧妙的硅微腔中,使泵浦光经历多次斯托克斯频移,最终获得中红外激光输出。

 

    2004年1月,加州大学电子工程师Ozdal Boyraz展示了世界上第一款拉曼硅激光器,他表示:“拉曼效应是拓展已有激光器输出光谱范围的有效工具。拉曼效应与波长无关,拉曼频移的大小由振荡声子决定,一阶拉曼效应产生的频率下转换信号可以作为下一阶拉曼效应的泵浦光。”

 

    Boyraz的研究结果表明,硅中一阶拉曼效应的峰值波长在1675nm处。通过级联的拉曼效应可以将输出波长拓展到中红外波段(见图1)。在二氧化硅光纤和微腔中已经展示了级联的拉曼效应,但是光纤在中红外波段损耗较大。相比之下,硅在中红外波段不但拉曼增益较高,而且损耗很小。

 

 

    图1. 绝缘体上的硅拉曼激光器,谐振腔采用跑道形结构,波长为1550nm的泵浦光通过拉曼效应产生频率下转换的波长为1686nm的一阶Stokes光,一阶Stokes光作为二阶拉曼效应的泵浦光,通过多阶拉曼级联效应,最终获得中红外激光输出。

 

    光谱纯度


    英特尔光子技术实验室的负责人Mario Paniccia一直致力于推动硅激光器的研究,Mario Paniccia表示:“这项研究始于对微处理器进行光学测试的过程中,我们发现测试设备异常昂贵,所以打算开发基于硅的光学设备。在研究过程中,我们瞄准了拉曼效应,并且认定如果我们沿着这条路一直走下去,一定可以获得中红外激光输出。”

 

    英特尔研发的这款激光器由绝缘体上的硅波导形成,谐振腔采用跑道形结构,腔长为3cm(见图2)。输入泵浦光的波长为1550nm,输出拉曼激光波长范围为1686~1848nm,二阶拉曼输出的峰值功率高达5mW。通过改变泵浦光的波长,同时温控谐振腔保证泵浦光与谐振波长相匹配,可以实现波长可调的激光输出。由于载流子吸收效应将极大地降低谐振腔内的拉曼增益,因此通过在波导的两侧添加p-i-n电极消除载流子效应。在偏置电压为25V时,载流子吸收效应降低35倍。

 

    Paniccia表示:“实验结果令人非常惊讶,输出光谱的纯度和稳定性都非常高,输出激光的超低线宽甚至已经超出了测量仪器的精度。为了验证该款激光器在气体传感领域的应用,研究人员测量了水和甲烷的吸收光谱。通过获得的高分辨率光谱,甚至可以观察到甲烷分子的轨道效应。”

 

    潜在应用


    Boyraz对这一结果非常感兴趣,他认为:“这一结果为开发室温工作、输出波长为2.5~7μm的高功率中红外激光器带来了曙光。从通信波段拓展到中红外波段是一个巨大的挑战,基于目前的研究结果,要真正实现这一目标仍然有一段很长的路要走。在每一次频率下转换的过程中,拉曼效应都必须与非线性损耗竞争,这些非线性损耗包括简并和非简并的双光子吸收,以及载流子吸收。”Boyraz建议将泵浦光的波长控制在2μm附近,这样非线性损耗将降低几个数量级。

 

 

    图2. 利用成熟的CMOS工艺,“无镜”环腔激光器可以集成在一块芯片上。通过直波导将泵浦光耦合输入,同时将拉曼激光耦合输出。波导和谐振腔之间的定向耦合器通过恰当的设计,可以控制泵浦光和拉曼激光的输入与输出。

 

    拉曼硅激光器的小尺寸和低阈值特性使得其特别适合作为微型传感器,并与无线发射器相结合,使其在工业领域有广泛的应用前景。该款激光器的潜在应用还包括生命科学领域。Paniccia表示下一步是设计宽波段工作的可调谐耦合器,用于制备小型红外光谱仪。

 

    参考文献


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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