国际研究团队推出了第一台专为与硅无缝集成而设计的电泵连续波半导体激光器。

来自Forschungszentrum Jülich（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，成功开发了第一台完全由IV族元素制成的电泵浦连续波半导体激光器，该元素在周期表中通常被称为“硅族”。

这种创新的激光器是由硅-锗-锡和锗-锡堆叠的超薄层构成的。值得注意的是，这是第一个直接在硅片上生长的激光器，为片上集成光子学的进步铺平了道路。该研究结果发表在权威杂志《自然通讯》上。

对高能效光子学的需求不断增长

人工智能（AI）和物联网（IoT）的快速增长正在推动对越来越强大、节能的硬件的需求。光数据传输能够传输大量数据，同时最大限度地减少能量损失，已经是一米以上距离的首选方法，即使在较短的距离上也被证明是有利的。

这一发展指向未来的微芯片具有低成本的光子集成电路（PICs），提供显著的成本节约和提高性能。

近年来，光学元件在硅片上的单片集成取得了重大进展。关键组件，包括高性能调制器，光电探测器和波导已经开发。然而，一个长期存在的挑战是缺乏一种仅使用第IV族半导体的高效电泵光源。

到目前为止，这种光源传统上依赖于III-V材料，这种材料很难与硅集成，因此价格昂贵。这种新型激光器解决了这一差距，使其与传统的CMOS芯片制造技术兼容，并适合无缝集成到现有的硅制造工艺中。因此，它可以被视为硅光子学工具箱中“缺失的最后一块”。

新型激光器的关键创新

研究人员首次在硅上的电泵浦IV族激光器中演示了连续波操作。与之前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)下只需5毫安（mA）的低电流注入即可工作，与发光二极管的能耗相当。

凭借其先进的多量子阱结构和环形几何结构，激光器最大限度地减少了功耗和热量的产生，能够在高达90开尔文（K）或零下183.15摄氏度（°C）的温度下稳定运行。

它生长在硅晶体管等标准硅片上，是第一个真正“可用”的IV族激光器，尽管需要进一步优化以进一步降低激光阈值并实现室温操作。然而，早期光学泵浦锗锡激光器的成功，在短短几年内就从低温操作发展到室温操作，表明了一条明确的前进道路。

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产生光。电泵浦激光器通常更节能，因为它们直接将电能直接转化为激光。

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