基于高单轴张应变锗的CMOS兼容DBR激光器的设计与分析

硅光子学被认为是一项能够实现低成本以及高集成密度光子集成光路的关键技术。除了能在传统的S波段(1460–1530 nm),C波段(1530–1565 nm)以及L波段(1565–1625 nm)进行光互联与光通信之外，硅光子学的应用领域近年来还拓展到了中红外波段通信，光谱学以及化学、生物传感。过去的二十年来，硅光子学得到了蓬勃的发展，许多关键性的器件已经被实现并且取得了较好的性能，这包括III-V族混合集成激光器、探测器、调制器以及一系列的无源器件。然而，片上集成的CMOS兼容的光源仍然是一个挑战。虽然III-V族混合集成激光器取得了良好的性能，但是此方案在大批量生产能力方面仍然要劣于CMOS兼容的技术。锗的应变工程是一个十分有潜力的解决方案，但是，目前基于应变锗的低阈值电泵浦激光器还没有被实验报道甚至在理论上提出。

武汉光电国家实验室光电子器件与集成功能实验室孙军强教授带领博士生江佳霖等人提出了一种基于高单轴张应变锗的CMOS兼容DBR激光器。该方案首次结合了高张应变锗，异质结以及低损耗光谐振腔。该激光器主要有三个优点。第一，张应变使得锗材料的增益显著提高，从而极大降低了锗激光器的阈值。第二，应变集中效应使无源区对有源区出射的光子透明，这在很大程度上简化了DBR激光器的制作过程。第三，准异质结的存在使得有源区对载流子的限制较好，提高了载流子的注入效率。他们仿真了该激光器的阈值电流以及内量子效率，还研究了SRH寿命、俄歇复合、应变以及n掺杂对激光器特性的影响。仿真结果表明，所提出的激光器有望成为硅光子学片上集成光源的候选方案。

图 (a) 用于引入高单轴张应变的微桥结构示意图. (b) 离Ge层底部150nm的xy平面应变分布图  (c) 基于微桥结构的DBR激光器示意图

2017年3月13日，该研究成果“Design and analysis of a CMOS-compatible distributed Bragg reflector laser based on highly uniaxial tensile stressed germanium”发表在OSA旗下期刊Optics Express(Vol.25, No.6, PP. 6497-6510, 2017)杂志。该项研究得到国家自然科学基金(61435004)的资助。