国际研究团队公布了首个旨在与硅实现无缝集成的电泵浦连续波半导体激光器。

来自尤利希研究中心 (FZJ)、斯图加特大学、莱布尼茨高性能微电子研究所 (IHP) 及其法国合作伙伴 CEA-Leti 的科学家们成功研制出首个完全由元素周期表中通常被称为“硅族”的第四族元素制成的电泵浦连续波半导体激光器。

这种创新的激光器由堆叠的超薄硅锗锡层和锗锡层构成。值得注意的是，这是首个直接在硅片上生长的此类激光器，为片上集成光子学的进步铺平了道路。相关研究成果已发表在享有盛誉的《自然·通讯》杂志上。

节能光子学的需求日益增长

人工智能（AI）和物联网（IoT）的飞速发展正在推动对功能更强大、能效更高的硬件的需求。光数据传输具备传输海量数据的能力，同时能将能量损失降至最低，已成为距离超过一米时的首选方法，并且事实证明，在较短距离内使用时同样具有优势。

这一进展预示着未来的微芯片将具备低成本的光子集成电路（PIC），这将大幅降低成本并提升性能。

近年来，在将光学有源器件单片集成到硅芯片方面取得了重大进展。已开发出包括高性能调制器、光电探测器和波导在内的关键器件。然而，长期以来一直存在的挑战是，缺乏仅使用第四族半导体的高效电泵浦光源。

迄今为止，此类光源一直依赖于传统的 III-V 材料，而这种材料与硅的结合既困难又昂贵。这一新型激光器弥补了这一空白，使其能够与芯片制造的常规 CMOS 技术相兼容，并且适合无缝集成到现有的硅制造工艺中。因此，它可被视作硅光子学工具箱中的“最后一块拼图”。

新型激光器的关键创新

研究人员首次证明了在硅上电泵浦的第四族激光器的连续波运转。与以往依赖高能光泵浦的锗锡激光器不同，这种新型激光器在2伏（V）电压下仅通过5毫安（mA）的低电流注入即可运转，其能耗可与发光二极管相媲美。

凭借其先进的多量子阱结构和环形几何结构，该激光器可将功耗和热量产生降至最低，从而使激光器能够在高达90开尔文（K）即零下183.15摄氏度（°C）的环境下稳定运行。

这种激光器是在制造硅晶体管所用的标准硅片上生长的，是首个真正“可用”的第四族元素激光器，尽管要进一步降低激光阈值并实现室温运转还需进一步优化。然而，早期光泵浦锗锡激光器已取得了成功，仅在几年内就从低温运转发展到室温运转，这表明未来的前进道路是明确的。

在光泵浦激光器中，需要外部光源来产生激光，而电泵浦激光器在电流通过二极管时即可发光。电泵浦激光器通常更加节能，因为它们可以直接将电能转化为激光。