复旦大学研制出世界上首个全硅激光器

科学网1月18日电(记者黄鑫、通讯员韩云茹)信息科学与技术学院吴湘教授、明路教授和张舒羽副教授联手研制出世界上第一台全硅激光器。相关的研究成果最近以快报的形式发表在《科学通报》上。

据报道，与以前的混合硅基激光器不同，这项研究最终将实现由硅本身作为增益介质产生激光。

集成硅光电子结合了当今两大支柱产业——微电子和光电子的精髓。硅激光器是集成硅光电子芯片的基本组成部分，是实现集成硅光电子的关键。集成硅光电子有望广泛应用于远程数据通信、传感、照明、显示、成像、检测、大数据等领域。

然而，硅本身的光发射极其微弱。如何将硅加工成高增益的激光材料一直是一个瓶颈问题。自从2000年的实验证明硅纳米晶材料可以实现光放大以来，这个瓶颈一直制约着硅激光器的发展。

早在2005年，全硅拉曼激光器问世时，“全硅激光器”的消息就引起了社会的关注。然而，这是一种通过将外部激光引入硅芯片而产生的激光，并且硅本身不被用作光源。同年，一种混合硅基激光器问世。这种激光器是在现有硅基波导芯片的基础上，直接与成熟的ⅲ-ⅴ族半导体激光器相结合，使两者结合成一种混合硅基激光器。同样，硅本身也不是光源。混合激光器与现有的硅工艺兼容性差，还会导致晶格失配。

专家表示，这次开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(硅纳米晶体材料)。这种激光器可以在硅片上制造，所以它是一种真正的全硅激光器。复旦大学的研究人员首先借鉴并发展了高密度硅纳米晶薄膜的制备技术，从而显著提高了硅纳米晶发光层的发光强度。之后，为了克服传统的氢钝化方法不能完全饱和悬空键缺陷的问题，开发了一种新的高压低温氢钝化方法，使硅纳米晶发光层的光学增益一次达到普通III-V激光材料的水平；在此基础上，设计并制作了相应的分布反馈(DFB)谐振腔，最终成功获得了光泵DFB全硅激光器。该激光器不仅克服了半导体材料生长过程中晶格失配和工艺兼容性差的问题，而且避免了硅作为光增益材料作为表面存储中的第二富元素时对镓、铟等稀有元素的过度依赖。

目前，全硅激光器仍需采用光泵浦技术。在紫外脉冲光的激发下，硅材料本身产生激光。未来，复旦大学的团队将进一步发展和完善电泵浦技术。通过向硅纳米晶体激光器注入电流，产生激光输出发光，完成实际应用的最后一公里，从而推动全硅激光器的产业化发展。