複旦大學課題組成功研製首個全矽激光器

複旦大學光科學與工程係吳翔教授、陸明教授和光源與照明工程係張樹宇副教授合作團隊,基於所研發的高增益矽納米晶薄膜,成功研製出世界上首個全矽激光器。這一成果近期在Science Bulletin以快報形式報道。



(a)DFB全矽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結構的橫截麵SEM圖像。

 

集成矽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。

 

矽激光器是實現集成矽光電子的關鍵。由於矽的間接帶隙結構特性,目前,矽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族激光器製備在矽基片上,成為一種混合的矽基激光器。而以矽自身作為增益介質的全矽激光器可以更好地匹配現有矽工藝,大幅提升器件的可靠性,其研製既是科學技術上的挑戰,也是集成矽光電子所必需。

 

為了大幅增強矽的光增益,複旦大學吳翔教授、陸明教授和張樹宇副教授合作團隊,首先借鑒並發展了一種高密度矽納米晶薄膜生長技術,由此顯著提高了矽發光層的發光強度;之後,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,使得矽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,他們設計和製備了相應的分布反饋式(DFB)諧振腔,最終成功獲得光泵浦DFB型全矽激光器。光泵浦全矽激光器的研製成功,也為下一步研製電泵浦全矽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,矽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。之後他們又重複製備了四個相同結構的激光器。由於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範圍,半峰寬(FWHM)由激射前的約120nm縮小到激射後的7nm。



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