磷掺杂纳米硅/二氧化硅多层薄膜的非线性光学和超快光学性质

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• 论文作者：张培 ; 任林娇 ; 张庆芳 ; 齐汝宾 ; 姜利英
• 年：2017
• 作者机构：郑州轻工业学院电气信息工程学院;固体微结构物理国家重点实验室;
• 论文关键词：nc-Si/SiO_2多层膜薄膜 ; P掺杂 ; 非线性光学吸收 ; 超快光学过程
• 会议召开时间：2017-05-25
• 会议录名称：第十二届全国硅基光电子材料及器件研讨会会议论文集
• 语种：中文
• 分类号：O484.41
• 学会代码：XMJS
• 会议名称：第十二届全国硅基光电子材料及器件研讨会
• 会议地点：中国福建厦门
• 主办单位：厦门大学物理科学与技术学院、浙江大学硅材料国家重点实验室
• 学会名称：厦门大学物理科学与技术学院
• 页数：1
• 文件大小：167k
• 原文格式：D
• 会议级别：全国

摘要

近年来,硅基的非线性光学器件取得了重大进展,如硅基拉曼激光器、放大器、信号发生器、光开关和波长转换器等器件相继研制成功,极大地推动了硅基光电集成的发展及向实用化前进[1]。然而,单晶硅具有中心反演对称结构,不存在直接的光电效应,只有较弱的克尔效应,且在光通信与光互连的近红外区域(1260~1625nm)具有较强的双光子吸收系数。一方面,双光子吸收产生的自由载流子散射和自由载流子吸收,不但会减弱克尔效应,还会产生较大的非线性光学损耗;另一方面,自由载流子的复合过程相对较慢,一般在毫秒(ms)量级。这就在一定程度上降低了器件的性能,例如调制速率、增益带宽、波长转换效率等,从而限制了体硅材料在半导体光学器件中的应用。而通过制备纳米硅量子点(nc-Si),可以提高硅基材料的非线性光学效应,并显著改善器件的性能。虽然nc-Si材料的非线性光学折射率系数得到了提高,但是其TPA系数也相应增大,而且载流子的复合速率仍然较慢。基于此,本文利用磷(P)掺杂来改变纳米硅/二氧化硅(nc-Si/SiO_2)多层膜的非线性光学特性和超快复合过程。实验结果表明,通过对nc-Si进行P掺杂,可以有效地改变nc-Si界面态和深能级的密度,使nc-Si材料的非线性吸收系数降低4倍左右,而且非线性吸收系数随P掺杂浓度的增加逐渐减小[2]。进一步,采用泵浦―探测技术对nc-Si/SiO_2多层膜的超快光学过程进行了初步测量,通过控制P的掺杂浓度,有效地改变载流子的超快复合过程,使载流子较慢的复合寿命由120 ps减小至15 ps,调节范围达到100 ps左右。同时,对掺杂调控nc-Si/SiO_2多层膜非线性光学特性和超快复合过程的机理进行了分析。

引文

[1]J.Leuthold,C.Koos,W.Freude,“Nonlinear silicon photonics”,Nat.Photonics,2010,4(8):535–544.
    [2]P.Zhang,X.Zhang,S.Xu,P.Lu,D.Tan,J.Xu,F.Wang,L.Jiang,K.Chen,“Phosphorus doping effect on linear and nonlinear optical properties of Si/Si O2multilayers”.Opt.Mater.Express,2017,7(2):304–312.