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或可用于拉曼光譜儀 復(fù)旦大學(xué)研制出世界首個全硅激光器

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  復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院吳翔教授、陸明教授和張樹宇副教授團隊合作,研制出世界上首個全硅激光器。相關(guān)研究成果日前以快報形式發(fā)表于《科學(xué)通報》(Science Bulletin)。

  據(jù)悉,不同于以往的混合型硅基激光器,這次研究最終實現(xiàn)由硅自身作為增益介質(zhì)產(chǎn)生激光。

  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。硅激光器是集成硅光電子芯片的基本元件,是實現(xiàn)集成硅光電子的關(guān)鍵。集成硅光電子預(yù)計將廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信、傳感、照明、顯示、成像、檢測、大數(shù)據(jù)等眾多領(lǐng)域。

  然而,硅自身的發(fā)光極弱,如何將硅處理成具有高增益的激光材料,一直是一個瓶頸問題。自2000年實驗證明硅納米晶材料可以實現(xiàn)光放大以來,這一瓶頸始終限制著硅激光器的發(fā)展。

  早在2005年全硅拉曼激光器問世時,有關(guān)“全硅激光器”的新聞就曾引起過社會關(guān)注。然而,這是一種將外來激光導(dǎo)入到硅芯片后產(chǎn)生的激光器,硅本身并不作為光源。同年,混合型硅基激光器面世。這種激光器是在現(xiàn)有的硅基波導(dǎo)芯片的基礎(chǔ)上,直接粘合上成熟的III-V族半導(dǎo)體激光器,使兩個部件組合成為一個混合型硅基激光器。同樣,硅本身不是光源?;旌闲图す馄骱同F(xiàn)有硅工藝兼容性較差,還會產(chǎn)生晶格失配問題。

  專家介紹,這次研發(fā)的硅激光器與以往不同,它的發(fā)光材料(增益介質(zhì))是硅本身(硅納米晶材料),激光器可做在硅芯片上,所以是真正意義上的全硅激光器。復(fù)旦大學(xué)研究人員首先借鑒并發(fā)展了一種高密度硅納米晶薄膜制備技術(shù),由此顯著提高了硅納米晶發(fā)光層的發(fā)光強度;之后,為克服常規(guī)氫鈍化方法無法充分飽和懸掛鍵缺陷這一問題,又發(fā)展了一種新型的高壓低溫氫鈍化方法,使得硅納米晶發(fā)光層的光增益一舉達(dá)到通常III-V族激光材料的水平;在此基礎(chǔ)上還設(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。這種激光器不僅克服了半導(dǎo)體材料生長過程中會產(chǎn)生的晶格失配和工藝兼容性差的問題,同時,作為地表儲備量第二豐富的元素,以硅做光增益材料也可以避免對稀有元素如鎵、銦等的過度依賴。

  目前,全硅激光器仍需采用光泵浦技術(shù),在紫外脈沖光的激勵下,由硅材料自身產(chǎn)生激光。未來,復(fù)旦大學(xué)團隊還將進(jìn)一步研發(fā)和完善電泵浦技術(shù),通過向硅納米晶激光器內(nèi)注入電流,產(chǎn)生激光輸出,以電發(fā)光,走完距離實際應(yīng)用的最后一公里,促進(jìn)全硅激光器的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。


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