适合无缝硅集成的电泵浦激光器

一个国际研究团队开发出了一种适合无缝硅集成的电泵浦连续波半导体激光器。据该团队称，这是第一台直接生长在硅片上的激光器。

该激光器完全由元素周期表中的IV族元素--“硅族”组成。研究人员说，该设备由锗锡和硅锗锡的超薄层堆叠而成，为片上集成光子学开辟了新的可能性。

图1:研究小组开发出一种生长在硅上的电泵浦锗锡激光器。该研究小组表示，这一研发成果标志着首个使用第四族半导体制造的高效电泵浦光源。

这种激光器只使用IV族半导体，解决了缺乏高效电泵浦光源的问题。在硅芯片上单片集成光学有源元件的传统方法是使用III-V族材料，这种材料很难与硅集成，而且成本高昂。

在光泵浦激光器中，需要外部光源来产生激光，而电泵浦激光器则是在电流通过二极管时产生光。电泵浦激光器通常能效更高，因为它们能直接将电能转化为激光。

研究人员开发的激光器与用于芯片制造的传统CMOS技术兼容，因此适合无缝集成到现有的硅制造工艺中。研究人员认为，它可以被视为硅光子学工具箱中“最后一块缺失的部件”。

图2：新开发的锗锡激光器示意图。

图3：SiGeSn/GeSn 多量子阱结构。

据研究团队称，这项研发工作是其研究小组探索锗锡合金的主要目标之一，这项工作已经持续了近十年。

与以往依赖高能光学泵浦的锗锡激光器不同，这种新型激光器的工作电流很低，在2V电压下仅需5 mA，与发光二极管的能耗相当。该激光器采用先进的多量子阱结构和环形结构，最大限度地降低了功耗和发热量，可在90K或-183.15 C温度下稳定工作。

该激光器在标准硅晶圆（如硅晶体管所用的硅晶圆）上生长，是第一台真正“可用”的IV族激光器，但还需要进一步优化，降低激光阈值并实现室温运行。不过，早期的光泵浦锗锡激光器在短短几年内就从低温运行发展到了室温运行，其成功表明了一条清晰的前进道路。

来源：长三角激光联盟