硅基光源的研究长期以来都是硅光子领域一个极其重要又极具挑战的课题。为了实现硅基光源，研究人员做了许多探索，如硅纳米晶、铒掺杂硅、锗能带工程、锗锡合金、锗齐纳二极管以及三五族异质集成。在以上方案中，锗能带工程由于其制作工艺与CMOS工艺兼容且能够实现电注入发光而吸引了大量的研究兴趣。锗能带工程的基本思路是通过在锗材料中引入张应变来降低直接带隙能谷和间接带隙能谷的能量差，从而使能带变得更加接近直接带隙，最终提高发光效率。目前在锗材料中引入较大张应变的方法主要有氮化硅应变层和悬空微结构，其中悬空微结构实现了最大的张应变（单轴应变为4.9%，双轴为1.9%）。此外，悬空微结构相比于氮化硅应变层的另一个优势是可以设计出电注入结构以及光学谐振腔，例如已报道的基于悬空微桥的体材料锗分布布拉格反射激光器。另一方面，对于传统的三五族激光器，普遍的认识是采用量子阱作为有源区能够显著降低激光器的阈值电流密度。类比于三五族量子阱，锗硅量子阱也在硅基光源研究领域得到了广泛的关注。然而，锗硅材料的能带结构不同于三五族直接带隙材料，因此很有必要从理论上对锗硅量子阱激光器与体材料锗激光器的阈值电流密度进行对比分析。

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设计了基于悬空微桥结构的锗硅量子阱激光器以及锗激光器。所设计的激光器通过微桥结构引入张应变，从而能显著提高有源区的光增益，并采用了具有超宽反射谱的弧形光栅作为反射镜，因此能够有效地提高光栅的制作工艺容差。他们使用8带耦合kp方法对张应变锗硅量子阱材料和体材料锗进行了能带计算，分析了这两种材料的态密度、直接带隙能谷与间接带隙能谷之间的能态数目、载流子电注入效率以及阈值电流密度。理论结果表明，与直接带隙材料相反，锗硅量子阱激光器的阈值电流密度比体材料锗激光器高几个数量级，这是由于对于锗硅量子阱，直接带隙能谷与间接带隙能谷之间的能态数目变得更多，载流子电注入效率更低。电学仿真表明，锗硅量子阱的电注入效率低有两个原因，一是张应变导致有效质量降低。另一原因是直接带隙的带阶很小，对载流子的限制很弱。

2017年10月18日，该研究成果”Analysis of threshold current of uniaxially tensile stressed bulk Ge and Ge/SiGe quantum well lasers”发表在OSA旗下期刊Optics Express(Vol.25, No.22, PP. 26714-26727, 2017)杂志。该项研究得到国家自然科学基金(61435004)的资助。

图 1. 单轴张应变（a）体材料锗激光器与（b）锗硅量子阱激光器的示意图（c）波导横截面（d）弧形光栅的俯视图 （e）体材料锗光栅TE模的反射谱 （f）锗硅量子阱光栅TE模的反射谱