1. 引言
超連續譜(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中扮演著重要角色。使用展寬的雷射光源，篩選出所需的波長信道，比使用獨立的光源更節省能源，也更利于集成。另外，超連續譜光源在光源檢測、生物醫學、高精密光學頻率測量等方面有著重要套用。產生超連續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，可用于超連續譜產生的介質很多，例如，單模光纖，光子晶體光纖(photonic crystalfiber，pcf)，矽波導，泥酸鋰等。目前以光纖為介質產生超連續譜的技術已經較為成熟，實現了大範圍的光譜展寬。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[1];b. a. cumberland 使用50 w 的摻yb 光纖雷射器泵浦一段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釐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、小體積等特徵的矽波導受到人們的廣泛重視。對矽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、自相位調製等非線性效應已成功運用于矽波導器件中。矽的三階非線性效應比普通光纖高許多，例如，矽的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。並且，矽具有高折射率，能夠將光很好地限製在一個很小的範圍。通過對矽波導尺寸、幾何結構的合理設計，可以實現對其色散系數的可控性。矽波導所具有特殊的色散和非線性特徵，使其比普通光纖更易產生超連續譜。隨著cmos 技術的發展成熟，在矽波導中產生超連續譜將有利于超連續譜的套用向集成化、小型化發展。與光纖相比，矽波導具有無可替代的優勢，可望在通信領域獲得全新的套用，矽材料中實現超連續譜將為全光通訊翻開嶄新的一頁。
2.超連續譜的產生機製
超連續譜的產生是多種非線性效應與色散共同作用的結果。脈沖光在矽波導中傳播，各種非線性效應，諸如，自相位調製(self-phase modulation，spm)，交叉相位調製(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製，即自相位調製。自相位調製會產生新的波長，這是出射光譜展寬的重要來源。隨著光譜成分的增加，交叉相位調製，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，矽是一種半導體材料，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製和吸收兩部分，因此矽中超連續譜的產生機製比普通光纖更為復雜。雙光子吸收是指在強雷射作用下,介質分子同時吸收兩個光子通過一個虛中間態躍遷到高能態的過程。雙光子吸收帶來大量能量損失，降低光脈沖的峰值功率，從而限製了脈沖展寬。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製作用而使其藍移，且調製作用與自由載流子濃度成正比。而脈沖後沿會積累大量的載流子，因此脈沖後沿的出射頻譜展寬藍移。于此同時，自由載流子對脈沖後沿產生吸收，使脈沖在時域上整體前移。另外，矽中拉曼散射與光纖中也有很大不同，矽基波導中的拉曼散射增益譜很窄隻有105 ghz，並且回響時間約為10 ps，若使用飛秒脈沖入射，拉曼效應可以忽略。