高亮度半导体激光?？?/a>
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第一个电泵浦，连续波半导体激光器推进硅光子学集成
发布时间：2024-12-10 10:14:39 阅读数： 674
新型激光器原理图。来源：Forschungszentrum j
科学家们近日取得了一项突破性进展，成功研制出首台完全由元素周期表中第四族元素——即硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）构成的电泵连续波半导体激光器。这一创新成果标志着在硅片上直接生长激光器的历史性跨越，为片上集成光子学领域的发展开辟了崭新的道路。
这款新型激光器巧妙地利用了硅锗锡（SiGeSn）和锗锡（GeSn）的超薄层堆叠技术，实现了在标准的硅片上直接生长出高效、稳定的激光光源。这一突破不仅解决了长期以来在硅基平台上缺乏高效电泵光源的难题，而且为未来的光子集成电路（PICs）提供了全新的可能性，预示着低成本、高性能的光子芯片即将成为现实。
随着人工智能和物联网技术的飞速发展，对数据传输速度和能效的要求日益提高。光数据传输以其高容量和低损耗的特点，已经成为长距离通信的首选方案，并逐渐在短距离通信中展现出优势。这一趋势促使微芯片制造商不断探索将光子元件与电子元件单片集成的新方法，以期实现更高的性能和更低的成本。
尽管近年来在硅片上单片集成光学元件方面取得了显著进展，如高性能调制器、光电探测器和波导等关键组件的成功开发，但一个关键挑战依然存在：缺乏一种仅使用第四族半导体材料的高效电泵光源。传统上，这类光源主要依赖于III-V族材料，如镓砷（GaAs）等，然而这些材料与硅的集成难度较大，导致制造成本高昂。
新型SiGeSn/GeSn激光器的出现，终于填补了这一空白。它不仅与现有的CMOS芯片制造技术高度兼容，而且能够无缝集成到标准的硅制造工艺中，从而大大降低了生产成本，提高了生产效率。这一创新成果被誉为硅光子学工具箱中的“缺失的最后一块”，为构建全硅基光子集成电路提供了强有力的支持。
该研究成果已在国际知名学术期刊《自然通讯》上发表，引起了广泛的关注和赞誉。科学家们相信，随着这一技术的不断成熟和完善，未来将有更多基于硅基光子集成电路的高性能、低成本硬件产品问世，为人工智能、物联网等领域的快速发展提供强有力的支撑。
扫描电子显微照片。来源：Forschungszentrum j
科学家们最近取得了一项令人瞩目的成就，他们首次在硅基材料上实现了电泵浦第四组激光器的连续波操作。这一新型激光器与之前依赖高能光泵浦的锗锡激光器截然不同，它在仅需2伏电压和5毫安低电流注入的条件下就能正常工作，能耗水平与常见的发光二极管相当。
这款激光器的设计巧妙，采用了先进的多量子阱结构和环形几何形状，这些创新设计使得激光器在运行时能够最大限度地减少功耗和热量的产生。因此，它能够在极端条件下稳定运行，比如温度高达90开尔文（-183.15摄氏度）的低温环境。
值得注意的是，这款激光器是直接生长在标准硅片上的，与制造硅晶体管所使用的硅片完全相同。这意味着它有望成为第一个真正“可用”的第四组激光器，尽管目前还需要进一步优化以降低激光阈值并实现室温操作。然而，回顾早期光泵锗锡激光器的发展历程，从低温工作到室温工作的突破仅仅用了几年时间，这为我们对未来第四组激光器的发展充满了信心。
在光泵浦激光器中，通常需要外部光源来激发产生激光，而电泵浦激光器则不同，它能够在电流通过二极管时直接产生光。因此，电泵浦激光器通常更加节能，因为它们实现了电能到激光的直接转化。
这项研究由Forschungszentrum j的研究小组完成，他们的这一创新成果不仅为硅基光子学领域的发展注入了新的活力，也为未来高性能、低功耗的光电子器件的研发提供了有力的支持。随着技术的不断进步和优化，我们有理由相信，这种新型的电泵浦第四组激光器将在光通信、光传感以及光计算等领域发挥重要作用，推动相关产业的快速发展。
