1、隨著半導(dǎo)體電子集成器件的尺寸逐漸逼近量子遂穿的極限，摩爾定律正面臨著極大的挑戰(zhàn)。近幾十年來，光子學(xué)器件由于相比于傳統(tǒng)電子學(xué)器件擁有更加穩(wěn)定、更加快速、更加低能耗等眾多優(yōu)點(diǎn)逐漸被研究人員所重視。未來若需要繼續(xù)維持芯片發(fā)展速度的摩爾定律，器件的研究由電子學(xué)轉(zhuǎn)為光子學(xué)是十分必要的?，F(xiàn)在，硅基光子學(xué)技術(shù)，借助硅材料極大的元素儲(chǔ)量導(dǎo)致的廉價(jià)成本以及與現(xiàn)代微電子加工技術(shù)的完美兼容和良好的光電混合集成特性，正逐漸實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，是目前國內(nèi)外最

2、重要的前沿研究領(lǐng)域之一。由于體材料硅本身間接帶隙的限制，使得其無法被直接用來設(shè)計(jì)制備光發(fā)射或是吸收器件。然而利用硅基材料尺寸減小到納米量級(jí)時(shí)產(chǎn)生的量子限制效應(yīng)以及光吸收/發(fā)射時(shí)不再需要完美遵循動(dòng)量守恒定律的特點(diǎn)，我們即可以填補(bǔ)這一缺陷。目前對(duì)于納米量級(jí)硅材料的光學(xué)性質(zhì)已有了一部分的研究，然而對(duì)于氫化納米硅非線性光學(xué)方面的了解還十分欠缺。這一方面性質(zhì)在光子學(xué)器件中也很重要，若是能夠?qū)ζ溥M(jìn)行控制，則可以制備各種非線性光學(xué)元器件；相反，若是對(duì)

3、其毫無了解，則可能由于例如自聚焦等非線性效應(yīng)造成破壞。
　　本論文主要對(duì)于以下幾點(diǎn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究：（1）利用等離子體增強(qiáng)氣相化學(xué)沉積法，控制氫稀釋比、射頻電源功率、沉積溫度等條件制備了一系列不同禁帶寬度的氫化納米硅薄膜樣品。（2）利用開孔 Z掃描實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量了氫化納米硅薄膜的非線性光吸收系數(shù)。（3）利用閉孔Z掃描實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量了氫化納米硅薄膜的非線性折射率。（4）采用飛秒激光對(duì)于樣品進(jìn)行微米尺度的激光誘導(dǎo)晶化，并利用開孔Z掃描

4、手段研究晶化后樣品產(chǎn)生的奇特非線性光吸收現(xiàn)象。
　　氫化納米硅的結(jié)構(gòu)為硅納米晶體鑲嵌于無序的非晶硅網(wǎng)格之中，它可以由等離子體增強(qiáng)氣相化學(xué)沉積法進(jìn)行廉價(jià)并且大規(guī)模的生長，故可以集成至絕大多數(shù)的光電子學(xué)器件之中。之前對(duì)于氫化納米硅的研究多數(shù)集中于量子限制效應(yīng)，電子學(xué)性質(zhì)和線性光學(xué)性質(zhì)，其非線性光學(xué)性質(zhì)，尤其是例如全光開關(guān)等光子學(xué)器件的研究還較少。本文利用Z掃描方法對(duì)于其非線性光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，我們發(fā)現(xiàn)，氫化納米硅薄膜的非線性光

5、吸收性質(zhì)可以分別由入射激光的波長、強(qiáng)度以及樣品的禁帶寬度獨(dú)立進(jìn)行靈敏的由飽和吸收至反飽和吸收的調(diào)節(jié)。我們利用修正了的三階非線性光吸收微分方程對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了完美的擬合，并從樣品所擁有的帶尾態(tài)這一獨(dú)特能帶結(jié)構(gòu)對(duì)于這種調(diào)制現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。另一方面，由于硅材料中非常明顯的載流子色散效應(yīng)，導(dǎo)致吸收了光子之后躍遷至帶尾態(tài)以及導(dǎo)帶中更高能態(tài)的電子會(huì)對(duì)于材料的折射率產(chǎn)生重大影響。我們可以通過調(diào)節(jié)入射光的波長，將樣品的非線性折射率在飽和型折射和克爾型

6、折射之間靈敏調(diào)節(jié)。之后我們進(jìn)一步建立模型定量研究了各個(gè)波長之下兩種非線性折射機(jī)制的大小。由于我們可以通過入射光波長、強(qiáng)度以及樣品的禁帶寬度來靈敏調(diào)節(jié)氫化納米硅材料的非線性吸收系數(shù)和非線性折射率，為利用其制備非線性光學(xué)元器件打下了良好的理論基礎(chǔ)。
　　在進(jìn)行開孔Z掃描實(shí)驗(yàn)的過程中，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)入射光強(qiáng)度超過一定的閾值之后，樣品的非線性吸收性質(zhì)將會(huì)發(fā)生一個(gè)不可逆的突變，吸收率將會(huì)增大700％以上，并且不再隨入射光波長和強(qiáng)度的改變而改變。