复旦大学基于所研发的高增益硅纳米晶薄膜研制出首个全硅激光器

复旦大学光科学与工程系吴翔教授、陆明教授和光源与照明工程系张树宇副教授合作团队，基于所研发的高增益硅纳米晶薄膜，成功研制出世界上首个全硅激光器。这一成果近期在Science Bulletin以快报形式报道。

(a) DFB全硅激光器的光泵浦和发光示意图;插图：DFB激光器件的实物照片；(b)样品的PL谱随泵浦功率的变化;背景：DFB结构的横截面SEM图像

集成硅光电子结合了当今两大支柱产业—微电子产业和光电子产业—的精华，预期将在通信、传感、照明、显示、成像、检测等众多领域带来新的技术革命。

硅激光器是实现集成硅光电子的关键。由于硅的间接带隙结构特性，目前，硅的光增益较之通常的III-V族激光材料，仍有1-2个数量级的差距。为避开这个瓶颈，国际上将成熟的III-V族激光器制备在硅基片上，成为一种混合的硅基激光器。而以硅自身作为增益介质的全硅激光器可以更好地匹配现有硅工艺，大幅提升器件的可靠性，其研制既是科学技术上的挑战，也是集成硅光电子所必需。

为了大幅增强硅的光增益，复旦大学吴翔教授、陆明教授和张树宇副教授合作团队，首先借鉴并发展了一种高密度硅纳米晶薄膜生长技术，由此显著提高了硅发光层的发光强度;之后，为克服通常氢钝化方法无法充分饱和悬挂键缺陷这一问题，他们发展了一种新型的高压低温氢钝化方法，使得硅发光层的光增益一举达到通常III-V族激光材料(如GaAs、InP等)的水平;在此基础上，他们设计和制备了相应的分布反馈式(DFB)谐振腔，最终成功获得光泵浦DFB型全硅激光器。光泵浦全硅激光器的研制成功，也为下一步研制电泵浦全硅激光器提供了参考依据。

实验发现，随着高压低温氢钝化的进行，硅发光层的光增益持续增强，最终达到GaAs、InP的水平。实验中还观察到了满足激光产生条件的所有判据：阈值效应、谱线大幅收窄、偏振效应以及定向发射。激射峰值为770nm波长。之后他们又重复制备了四个相同结构的激光器。由于各发光层的有效折射率略有差异，所得到的四个激射峰值波长分布在760-770nm范围，半峰宽(FWHM)由激射前的约120nm缩小到激射后的7nm。该项目由国家自然科学基金(No. 51472051, 61275178, 61378080, 61705042)和上海市扬帆计划(16YF1400700)等提供支持。