日前，復旦大學信息科學與工程學院吳翔教授、陸明教授和張樹宇副教授合作團隊成功研制出世界上首個全硅激光器。不同于以往的混合型硅基激光器，本次研究最終實現(xiàn)由硅自身作為增益介質產生激光。該研究是集成硅光電子領域近30年來取得的一項重大突破。
集成硅光電子結合了當今兩大支柱產業(yè)——微電子產業(yè)和光電子產業(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)集成硅光電子的關鍵。集成硅光電子預計將廣泛應用于遠程數據通信、傳感、照明、顯示、成像、檢測、大數據等眾多領域。
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“全硅激光器”的新聞就曾引起過社會關注。然而，這是一種將外來激光導入到硅芯片后產生的激光器，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)有的硅基波導芯片的基礎上，直接粘合上成熟的III－V族半導體激光器，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。混合型激光器和現(xiàn)有硅工藝兼容性較差，還會產生晶格失配問題。
此次研發(fā)的硅激光器與以往不同，它的發(fā)光材料（增益介質）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。
復旦大學科研團隊首先借鑒并發(fā)展了一種高密度硅納米晶薄膜制備技術，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，他們發(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到通常III－V族激光材料的水平；在此基礎上，他們設計和制備了相應的分布反饋式（DFB）諧振腔，最終成功獲得光泵浦DFB型全硅激光器。這種激光器不僅克服了半導體材料生長過程中會產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。
據悉，未來，團隊還將進一步研發(fā)和完善電泵浦技術，促進全硅激光器的產業(yè)化發(fā)展。
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