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复旦大学科研团队成功研制全硅激光器
以硅为增益介质产生激光 集成硅光电子的重要拼图

作者:韩蕴如来源:信息科学与工程学院发布时间:2018-01-18

日前,复旦大学信息科学与工程学院吴翔教授、陆明教授和张树宇副教授合作团队成功研制出世界上首个全硅激光器。不同于以往的混合型硅基激光器,本次研究最终实现由硅自身作为增益介质产生激光。该研究是集成硅光电子领域近30年来取得的一项重大突破。研究结果近期以快报形式发表在Science Bulletin http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927318300069)。博士生王东辰、张驰是共同第一作者,吴翔、陆明、张树宇是共同通讯作者。

集成硅光电子结合了当今两大支柱产业——微电子产业和光电子产业——的精华。硅激光器是集成硅光电子芯片的基本元件,是实现集成硅光电子的关键。集成硅光电子预计将广泛应用于远程数据通信、传感、照明、显示、成像、检测、大数据等众多领域。

然而,硅自身的发光极弱,如何将硅处理成具有高增益的激光材料,一直是一个瓶颈问题。自2000年实验证明硅纳米晶材料可以实现光放大以来,这一瓶颈始终限制着硅激光器的发展。

早在2005年全硅拉曼激光器问世时,有关“全硅激光器”的新闻就曾引起过社会关注。然而,这是一种将外来激光导入到硅芯片后产生的激光器,硅本身并不作为光源。同年,混合型硅基激光器面世。这种激光器是在现有的硅基波导芯片的基础上,直接粘合上成熟的III-V族半导体激光器,使两个部件组合成为一个混合型硅基激光器。同样,硅本身不是光源。混合型激光器和现有硅工艺兼容性较差,还会产生晶格失配问题。

此次研发的硅激光器与以往不同,它的发光材料(增益介质)是硅本身(硅纳米晶材料),激光器可做在硅芯片上,所以是真正意义上的全硅激光器。复旦大学科研团队首先借鉴并发展了一种高密度硅纳米晶薄膜制备技术,由此显著提高了硅纳米晶发光层的发光强度;之后,为克服常规氢钝化方法无法充分饱和悬挂键缺陷这一问题,他们发展了一种新型的高压低温氢钝化方法,使得硅纳米晶发光层的光增益一举达到通常III-V族激光材料的水平;在此基础上,他们设计和制备了相应的分布反馈式(DFB)谐振腔,最终成功获得光泵浦DFB型全硅激光器。这种激光器不仅克服了半导体材料生长过程中会产生的晶格失配和工艺兼容性差的问题,同时,作为地表储备量第二丰富的元素,以硅做光增益材料也可以避免对稀有元素如镓、铟等的过度依赖。

目前,全硅激光器仍需采用光泵浦技术,在紫外脉冲光的激励下,由硅材料自身产生激光。未来,团队还将进一步研发和完善电泵浦技术。通过向硅纳米晶激光器内注入电流,产生激光输出。以电发光,走完距离实际应用的最后一公里,促进全硅激光器的产业化发展。

据悉,相关研究得到国家自然科学基金和上海市扬帆计划等的支持。

(a)DFB全硅激光器的光泵浦和发光示意图;插图:DFB激光器件的实物照片。
(b)样品的PL谱随泵浦功率的变化;背景:DFB结构的横截面SEM图像。

(封面制图:王木木)

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