硅光，最后一塊拼圖？

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國際研究團隊推出首款旨在與硅無縫集成的電泵浦連續波半導體激光器。

來自德國于利希研究中心 、斯圖加特大學、萊布尼茨高性能微電子研究所 (IHP) 及其法國合作伙伴 CEA-Leti 的科學家成功開發出第一臺完全由 IV 族元素(在元素周期表中通常稱為“硅族”)制成的電泵浦連續波半導體激光器。

這種創新的激光器由堆疊的超薄硅鍺錫層和鍺錫層構成。值得注意的是，這是第一款直接在硅晶片上生長的同類激光器，為片上集成光子學的發展鋪平了道路。該研究成果已發表在著名期刊《自然通訊》上。

對節能光子學的需求不斷增長

人工智能 和物聯網 (IoT)的快速發展推動了對功能越來越強大、節能硬件的需求。光學數據傳輸能夠傳輸大量數據，同時最大限度地減少能量損失，已成為一米以上距離的首選方法，即使在較短的距離中也具有優勢。

這一發展指向未來采用低成本光子集成電路 的微芯片，可顯著節省成本并提高性能。

近年來，在硅芯片上單片集成光學有源元件方面取得了重大進展。高性能調制器、光電探測器和波導等關鍵元件已經開發出來。然而，長期以來的挑戰是缺乏僅使用 IV 族半導體的高效電泵浦光源。

到目前為止，此類光源傳統上依賴于 III-V 材料，這些材料很難與硅集成，因此成本高昂。這種新型激光器解決了這一問題，使其與用于芯片制造的傳統 CMOS 技術兼容，并適合無縫集成到現有的硅制造工藝中。因此，它可以被視為硅光子學工具箱中“最后一塊缺失的拼圖”。

新型激光器的關鍵創新

研究人員首次展示了硅基電泵浦 IV 族激光器的連續波操作。與之前依賴高能光泵浦的鍺錫激光器不同，這種新型激光器在 2 伏 電壓下僅以 5 毫安 (mA) 的低電流注入運行，與發光二極管的能耗相當。

該激光器采用先進的多量子阱結構和環形幾何結構，最大限度地降低了功耗和熱量產生，能夠在高達 90 開爾文 或零下 183.15 攝氏度 (°C) 的溫度下穩定運行。

它是在標準硅晶片上生長的，代表了第一個真正“可用”的 IV 族激光器，盡管需要進一步優化以進一步降低激光閾值并實現室溫操作。然而，早期光泵鍺錫激光器的成功表明了一條清晰的前進道路，這些激光器在短短幾年內就從低溫發展到室溫操作。

光泵浦激光器需要外部光源來產生激光，而電泵浦激光器則在電流通過二極管時產生光。電泵浦激光器通常更節能，因為它們直接將電能轉換為激光。

該研究小組由來自于利希研究中心 PGI-9 的 Buca 博士領導，多年來一直在開發錫基 IV 族合金，并與 IHP、斯圖加特大學、CEA-Leti、C2N-Université Paris-Sud 和米蘭理工大學等合作伙伴合作。他們已經展示了其在光子學、電子學、熱電學和自旋電子學領域的應用潛力。憑借這一新成就，硅光子學為下一代微芯片提供一體化解決方案的愿景現已觸手可及。

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