上海交大深入推进“室温通讯波段硅基激光器”研究

近日，上海交通大学密西根学院教师但亚平主持申报的“室温通讯波段硅基激光器”项目获2019年度上海市教育委员会科研创新计划重大项目资助，项目执行期为5年，资助经费总额300万元。交大密西根学院万文杰教授与电子信息与电气工程学院周林杰教授为该项目的共同参与人。

全硅基光电子系统原理图

硅基光电子是下一代通信技术的关键技术，但该技术的发展受限于硅基室温通讯波段激光器的成功研制。由于硅是间接带隙半导体，并且硅的禁带宽度大于通讯波段光子能量，因此硅既不能探测通讯波段光波，也不能发射通讯波段光波。在硅中掺杂铒元素从而使硅衬底变成发光材料的方法，近来引起广泛关注。掺入的铒元素在硅衬底中引入俘获态，硅中的电子空穴对可在此复合并发射通讯波段光。但是由于其他能态的存在，使得室温下的发光效率极低，室温下量子效率不足0.1%。为了提高室温下的发光效率，研究人员一直在寻找优化方法。

铒掺杂硅基发光二极管

但亚平课题组在前期研究中，对铒注入的硅衬底进行了特种退火处理，大幅降低了非辐射复合中心浓度，将样品的室温量子效率提高到14%（提高了两个数量级以上），并且实现了室温条件下的硅基发光二极管（LED）。该项目拟进一步研究室温通讯波段硅基激光器，并将该激光器与CMOS 电路、光调制器、 光探测器和光波导集成在同一片芯片上，有望实现完全集成的硅基光电子系统，确立我国在该领域的国际领导地位。

经过半个多世纪的发展，集成电路产业已经成为全世界经济和社会发展的战略性产业，带动着汽车工业、消费电子、航空航天等多个行业的发展。在我国，集成电路产业更是举足轻重，高端芯片制造和设计技术缺乏、长期依赖进口，成为抑制我国产业升级和经济转型的瓶颈，发展集成电路产业已确立为我国国家产业战略。

集成电路产业的成功发展主要依赖集成电路中场效应晶体管（MOSFET）尺寸不断缩小，从而使得性能不断提高而成本不断降低。集成电路发展至今，电路工作频率越来越受限于芯片内金属连线而非场效应晶体管本身的速度。光纤信号传输速度快、损耗低，利用光纤取代芯片上的金属连线，即实现硅基光子器件与CMOS场效应晶体管片上集成（全硅基光电子系统），成为未来通信技术的研究重点和主要趋势。

上海市教委设立科研创新计划旨在稳定资助一批高校优秀科研工作者潜心科研工作，围绕人文社会科学领域重大理论问题和自然科学前沿基础研究领域的新知识、新原理、新方法，开展前瞻性研究，以期获得重大原始创新成果。