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(yu) 工程係吳翔教授、陸明教授和光源與(yu) 照明工程係張樹宇副教授合作團隊，基於(yu) 所研發的高增益矽納米晶薄膜，成功研製出世界上首個(ge) 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(liang) 大支柱產(chan) 業(ye) —微電子產(chan) 業(ye) 和光電子產(chan) 業(ye) —的精華，預期將在通信、傳(chuan) 感、照明、顯示、成像、檢測等眾(zhong) 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(guan) 鍵。由於(yu) 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(ge) 數量級的差距。為(wei) 避開這個(ge) 瓶頸，國際上將成熟的III－V族激光器製備在矽基片上，成為(wei) 一種混合的矽基激光器。而以矽自身作為(wei) 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(wei) 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(wei) 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(men) 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(ju) 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(men) 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(wei) 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(chan) 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(wei) 770nm波長。之後他們(men) 又重複製備了四個(ge) 相同結構的激光器。由於(yu) 各發光層的有效折射率略有差異，所得到的四個(ge) 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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