復旦大學研制成功首個全硅激光器

  Iccsz訊 復旦大學光科學與工程系吳翔教授、陸明教授和光源與照明工程系張樹宇副教授合作團隊，基于所研發的高增益硅納米晶薄膜，成功研制出世界上首個全硅激光器。這一成果近期在Science Bulletin以快報形式報道。

(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927318300069)

(a) DFB全硅激光器的光泵浦和發光示意圖;插圖：DFB激光器件的實物照片。(b)樣品的PL譜隨泵浦功率的變化;背景：DFB結構的橫截面SEM圖像。

  集成硅光電子結合了當今兩大支柱產業—微電子產業和光電子產業—的精華，預期將在通信、傳感、照明、顯示、成像、檢測等眾多領域帶來新的技術革命。

  硅激光器是實現集成硅光電子的關鍵。由于硅的間接帶隙結構特性，目前，硅的光增益較之通常的III-V族激光材料，仍有1-2個數量級的差距。為避開這個瓶頸，國際上將成熟的III-V族激光器制備在硅基片上，成為一種混合的硅基激光器。而以硅自身作為增益介質的全硅激光器可以更好地匹配現有硅工藝，大幅提升器件的可靠性，其研制既是科學技術上的挑戰，也是集成硅光電子所必需。

  為了大幅增強硅的光增益，復旦大學吳翔教授、陸明教授和張樹宇副教授合作團隊，首先借鑒并發展了一種高密度硅納米晶薄膜生長技術，由此顯著提高了硅發光層的發光強度;之后，為克服通常氫鈍化方法無法充分飽和懸掛鍵缺陷這一問題，他們發展了一種新型的高壓低溫氫鈍化方法，使得硅發光層的光增益一舉達到通常III-V族激光材料(如GaAs、InP等)的水平;在此基礎上，他們設計和制備了相應的分布反饋式(DFB)諧振腔，最終成功獲得光泵浦DFB型全硅激光器。光泵浦全硅激光器的研制成功，也為下一步研制電泵浦全硅激光器提供了參考依據。

  實驗發現，隨著高壓低溫氫鈍化的進行，硅發光層的光增益持續增強，最終達到GaAs、InP的水平。實驗中還觀察到了滿足激光產生條件的所有判據：閾值效應、譜線大幅收窄、偏振效應以及定向發射。激射峰值為770nm波長。之后他們又重復制備了四個相同結構的激光器。由于各發光層的有效折射率略有差異，所得到的四個激射峰值波長分布在760-770nm范圍，半峰寬(FWHM)由激射前的約120nm縮小到激射后的7nm。該項目由國家自然科學基金(No. 51472051, 61275178, 61378080, 61705042)和上海市揚帆計劃(16YF1400700)等提供支持。