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美研究人员首次构建硅材料量子级联激光器

  来自美国加利福尼亚大学、海军研究实验室和威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员,首次在硅材料上构建量子级联激光器,未来有望应用于光谱化学、天文学气体探测以及自由空间通信。

  直接在硅片上集成激光器具有一定挑战性,但是相对于耦合外部激光光线,具有更高效率和紧凑性。硅的间接带隙使得构建激光器非常困难,但是可以利用III-V族半导体材料,例如磷化铟(InP)或砷化镓(GaAa),构建二极管激光器。通过直接将III-V层紧接到硅晶片上,利用III-V层形成激光增益,并整合相同组合在硅材料上形成2μm多量子阱激光器。二极管激光器的局限性使得难于产生更长波长,因此,该研究小组转而使用QCLs代替。

  在硅材料上构建量子级联激光器(QCL)极具挑战性,主要是由于SiO2 在长波长中红外波段具有很强的吸收性。“这就意味着我们不仅要在硅材料上构建不同类型的激光器,还需要构建不同类型的硅波导。”该项目领导人Alexander Spott表示:“我们构建了SONOI波导,在硅波导下使用了氮化硅层,而不是只用SiO2  。”

在SONOI波导上整合多量子级联激光器3D结构图

  “此项突破将带来诸多应用。”Spott表示:“通常而言,近红外硅光子器件应用于数据传输及通信。但是新兴的研究方向是构建中红外硅光子器件用于传感和检测应用,例如光谱化学、气体探测、天文学、海洋探测、热成像、爆炸物探测及自由空间通信等。”

  该团队的下一个目标是改进散热以提升QCLs激光器性能,并进一步构建连续波硅材料QCLs激光器。“我们通常希望改进设计提升功率及效率”,Spott表示:“这使得我们距离在硅芯片上构建全集成中红外器件更近一步,例如光谱分析仪或气体传感器。大规模制造可以降低单片成本,许多微器件可以在同一硅芯片上构建,例如在不同中红外波段工作的不同类型传感器。”

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