復(fù)旦大學(xué)基于所研發(fā)的高增益硅納米晶薄膜研制出首個全硅激光器

復(fù)旦大學(xué)光科學(xué)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(tuán)隊，基于所研發(fā)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。

(a) DFB全硅激光器的光泵浦和發(fā)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(jié)構(gòu)的橫截面SEM圖像

集成硅光電子結(jié)合了當(dāng)今兩大支柱產(chǎn)業(yè)—微電子產(chǎn)業(yè)和光電子產(chǎn)業(yè)—的精華，預(yù)期將在通信、傳感、照明、顯示、成像、檢測等眾多領(lǐng)域帶來新的技術(shù)革命。

硅激光器是實現(xiàn)集成硅光電子的關(guān)鍵。由于硅的間接帶隙結(jié)構(gòu)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(shù)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(zhì)的全硅激光器可以更好地匹配現(xiàn)有硅工藝，大幅提升器件的可靠性，其研制既是科學(xué)技術(shù)上的挑戰(zhàn)，也是集成硅光電子所必需。

為了大幅增強(qiáng)硅的光增益，復(fù)旦大學(xué)吳翔教授、陸明教授和張樹宇副教授合作團(tuán)隊，首先借鑒并發(fā)展了一種高密度硅納米晶薄膜生長技術(shù)，由此顯著提高了硅發(fā)光層的發(fā)光強(qiáng)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(fā)展了一種新型的高壓低溫氫鈍化方法，使得硅發(fā)光層的光增益一舉達(dá)到通常III-V族激光材料(如GaAs、InP等)的水平;在此基礎(chǔ)上，他們設(shè)計和制備了相應(yīng)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(jù)。

實驗發(fā)現(xiàn)，隨著高壓低溫氫鈍化的進(jìn)行，硅發(fā)光層的光增益持續(xù)增強(qiáng)，最終達(dá)到GaAs、InP的水平。實驗中還觀察到了滿足激光產(chǎn)生條件的所有判據(jù)：閾值效應(yīng)、譜線大幅收窄、偏振效應(yīng)以及定向發(fā)射。激射峰值為770nm波長。之后他們又重復(fù)制備了四個相同結(jié)構(gòu)的激光器。由于各發(fā)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(xué)基金(No. 51472051, 61275178, 61378080, 61705042)和上海市揚(yáng)帆計劃(16YF1400700)等提供支持。