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中美科学家合作研发:首款室温下发光的片上CMOS激光器
特斯拉 2017-08-14
导语

首款可在室温下发光的片上CMOS通信激光器

美国亚利桑那州立大学纳米光子学实验室与清华大学合作研发了首款可在室温下发光的片上CMOS通信激光器。该团队通过在纳米光束硅腔上放置单层二价二碲化物构建了无III-V族化合物的概念验证装置。先前已有团队实现了类似的单层激光技术,但仅在低温条件下才能实现。

图1为研究团队通过在硅腔上形成单层二碲化钼膜实现了首个室温下发光的CMOS激光器示意图

▍二碲化钼

二碲化钼(MoTe2)—称为过渡金属二硫属元素化合物—是能够在工业标准通信波长下实现红外线激光带隙发荧光的半导体。当结晶成薄的原子单层时,它具有柔性、抗裂纹、几乎透明以及和CMOS兼容的特性。

▍硅腔工艺

电气工程学教授Cun-Zheng Ning表示:“我们的纳米光束硅腔是由标准的CMOS硅绝缘体晶圆制成的,没有利用任何高温工艺,这通常是CMOS工艺需要考虑的问题。MoTe2层的生成是一个简单的机械过程。换句话说,除了CMOS行业常见的标准处理工艺之外,我们没有使用任何其他工艺。”

图2为美国亚利桑那州立大学Cun-Zheng Ning教授

▍原理实现

如图1所示,研究人员通过在硅腔上形成单层的MoTe2膜实现了首个室温下发光的CMOS激光器,MoTe2单层放置在薄硅腔之上,薄硅腔上刻有小孔,该装置有效实现了在红外通信频带放大产生足够的激光,最终实现激光输出。

Ning和清华大学的Yongzhuo Li,Jianxing Zhang,Dandan Huang等人在《自然纳米技术》杂志上发表了一篇名为“在硅腔上集成单层MoTe2实 现室温下连续激光输出”的文章。文章提到,在硅腔的限制下,增益介质能够实现光子的放大。如传统的半导体激光器相比,该新型激光器能够在常见的红外通信波 段实现室温下100倍的激光放大和输出。研究人员补充说,该技术可以被修改以感知产生的激光,这就意味着将来有可能在同一CMOS芯片上实现光子发射器和 光子接收器的共存。

图:激光器结构示意图

像通常的做法一样,该概念验证芯片利用非常低功耗的常规激光器来泵浦MoTe2 CMOS激光器。Ning补充道:“现在我们利用633纳米波长的连续波氦氖激光实现对激光器的泵浦,实际上,该激光器的阈值远远低于红光激光器的阈值。”

▍下一步工作

研究团队的下一步工作就是启动并调制该片上激光器。Ning表示,设计高效的电流注入方案是电注入激光器成功示范的关键,我们目前还处于设计和测试的阶段。

文章链接:

Yongzhuo Li,et al, “Room-temperature Continuous-wave Lasing from Monolayer Molybdenum Ditelluride Integrated with a Silicon Nanobeam Cavity,"Nature Nanotechnology, DOI:10.1038/nnano.2017.128

(本文来源:大国重器——聚焦世界军用电子元器件;)

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  • 纳米激光器
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作者 特斯拉

副研究员

中科院

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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