目前，激光器的輸出波長很難覆蓋電磁波譜中的中紅外波段，已有的中紅外激光器不但體積龐大，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而小型中紅外硅激光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和他的同事在硅片上展示了世界上第一款中紅外輸出的“級聯(lián)拉曼”激光器。2006、2007年研究人員就提出了中紅外硅激光器的設(shè)計原理，即在一個設(shè)計巧妙的硅微腔中，使泵浦光經(jīng)歷多次斯托克斯頻移，最終獲得中紅外激光輸出。 2004年1月，加州大學(xué)電子工程師Ozdal Boyraz展示了世界上第一款拉曼硅激光器，他表示：“拉曼效應(yīng)是拓展已有激光器輸出光譜范圍的有效工具。拉曼效應(yīng)與波長無關(guān)，拉曼頻移的大小由振蕩聲子決定，一階拉曼效應(yīng)產(chǎn)生的頻率下轉(zhuǎn)換信號可以作為下一階拉曼效應(yīng)的泵浦光。” Boyraz的研究結(jié)果表明，硅中一階拉曼效應(yīng)的峰值波長在1675nm處。通過級聯(lián)的拉曼效應(yīng)可以將輸出波長拓展到中紅外波段（見圖1）。在二氧化硅光纖和微腔中已經(jīng)展示了級聯(lián)的拉曼效應(yīng)，但是光纖在中紅外波段損耗較大。相比之下，硅在中紅外波段不但拉曼增益較高，而且損耗很小。 圖1. 絕緣體上的硅拉曼激光器，諧振腔采用跑道形結(jié)構(gòu)，波長為1550nm的泵浦光通過拉曼效應(yīng)產(chǎn)生頻率下轉(zhuǎn)換的波長為1686nm的一階Stokes光，一階Stokes光作為二階拉曼效應(yīng)的泵浦光，通過多階拉曼級聯(lián)效應(yīng)，最終獲得中紅外激光輸出。 光譜純度 英特爾光子技術(shù)實驗室的負(fù)責(zé)人Mario Paniccia一直致力于推動硅激光器的研究，Mario Paniccia表示：“這項研究始于對微處理器進(jìn)行光學(xué)測試的過程中，我們發(fā)現(xiàn)測試設(shè)備異常昂貴，所以打算開發(fā)基于硅的光學(xué)設(shè)備。在研究過程中，我們瞄準(zhǔn)了拉曼效應(yīng)，并且認(rèn)定如果我們沿著這條路一直走下去，一定可以獲得中紅外激光輸出。” 英特爾研發(fā)的這款激光器由絕緣體上的硅波導(dǎo)形成，諧振腔采用跑道形結(jié)構(gòu)，腔長為3cm（見圖2）。輸入泵浦光的波長為1550nm，輸出拉曼激光波長范圍為1686～1848nm，二階拉曼輸出的峰值功率高達(dá)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(xiàn)波長可調(diào)的激光輸出。由于載流子吸收效應(yīng)將極大地降低諧振腔內(nèi)的拉曼增益，因此通過在波導(dǎo)的兩側(cè)添加p-i-n電極消除載流子效應(yīng)。在偏置電壓為25V時，載流子吸收效應(yīng)降低35倍。 Paniccia表示：“實驗結(jié)果令人非常驚訝，輸出光譜的純度和穩(wěn)定性都非常高，輸出激光的超低線寬甚至已經(jīng)超出了測量儀器的精度。為了驗證該款激光器在氣體傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，研究人員測量了水和甲烷的吸收光譜。通過獲得的高分辨率光譜，甚至可以觀察到甲烷分子的軌道效應(yīng)。” 潛在應(yīng)用 Boyraz對這一結(jié)果非常感興趣，他認(rèn)為：“這一結(jié)果為開發(fā)室溫工作、輸出波長為2.5～7μm的高功率中紅外激光器帶來了曙光。從通信波段拓展到中紅外波段是一個巨大的挑戰(zhàn)，基于目前的研究結(jié)果，要真正實現(xiàn)這一目標(biāo)仍然有一段很長的路要走。在每一次頻率下轉(zhuǎn)換的過程中，拉曼效應(yīng)都必須與非線性損耗競爭，這些非線性損耗包括簡并和非簡并的雙光子吸收，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(shù)量級。 圖2. 利用成熟的CMOS工藝，“無鏡”環(huán)腔激光器可以集成在一塊芯片上。通過直波導(dǎo)將泵浦光耦合輸入，同時將拉曼激光耦合輸出。波導(dǎo)和諧振腔之間的定向耦合器通過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計，可以控制泵浦光和拉曼激光的輸入與輸出。 拉曼硅激光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，并與無線發(fā)射器相結(jié)合，使其在工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。該款激光器的潛在應(yīng)用還包括生命科學(xué)領(lǐng)域。Paniccia表示下一步是設(shè)計寬波段工作的可調(diào)諧耦合器，用于制備小型紅外光譜儀。