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.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/SiO2)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.进一步,采用泵浦―探测技术对nc-Si/SiO2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120ps减小至15ps,调节范围达到100ps左右.同时,对掺杂调控nc-Si/SiO2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.
