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硅基纳米激光器和光放大器研究取得重大突破

Release time:2021-09-15 11:24viewed:times
本文摘要:纳米尺度上的激光器和光放大器是未来芯片上光电构建的核心器件,对未来超级计算机和“片上数据中心”等信息科学技术至关重要。如能将这些纳米级器件做到在硅基衬底上,将引导片上光点对点的革命性发展,因而沦为将近几十年来国际学术界和科技产业界联合注目的焦点之一。

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纳米尺度上的激光器和光放大器是未来芯片上光电构建的核心器件,对未来超级计算机和“片上数据中心”等信息科学技术至关重要。如能将这些纳米级器件做到在硅基衬底上,将引导片上光点对点的革命性发展,因而沦为将近几十年来国际学术界和科技产业界联合注目的焦点之一。清华大学电子系“千人计划”专家宁存政教授长年研究半导体闪烁物理、纳米光子学、器件极端微型化制作及密切相关,曾在世界上首次做成尺寸大于半波长的电流经纳米激光器,并首次构建了电流经金属腔纳米激光器的室温倒数模运转,是纳米激光技术领域的开拓型领军人物。

宁存政教授课题组仍然致力于微纳光电子材料器件的物理及应用于研究,大大突破激光器和光放大器尺寸小型化无限大,为光电构建及其在未来计算机芯片上的应用于展开前沿探寻。十多年来,课题组专心研发纳米激光器和具备低光学增益的光放大器新材料,最近同时在这两方面获得重大突破,并于7月17日同日在《大自然》杂志的两个子刊《大自然·光子学》(NaturePhotonics)和《大自然·纳米技术》(NatureNanotechnology)上公开发表了近期的实验结果。图片说明:基于二维材料的纳米激光器的结构示意图。

网状结构转身单层二维材料,底下是一个用于激光腔的硅纳米悬臂。助理研究员李永卓等人在《大自然·纳米技术》上公开发表的“基于单层二碲简化钼和硅纳米臂腔的室温倒数模纳米激光”(Room-temperaturecontinuous-wavelasingfrommonolayermolybdenumditellurideintegratedwithasiliconnanobeamcavity),首次报导了室温下倒数模运转的基于二维材料的纳米激光器。这种只有单层分子厚度的二维半导体材料受到多个领域的高度重视,二维材料凭借其独有的激子闪烁机制为纳米激光获取了最厚的光学增益材料。两年前,美国科学家在红外线波段构建了低温下运转的激光激射,但室温运转仍然没构建。

宁存政教授领导的课题组融合多年来积极开展的纳米激光研究经验,利用厚度只有0.7纳米的单层二碲简化钼作为增益材料,以一个宽度仅有300多纳米、厚度200多纳米的硅纳米臂腔作为激光器谐振腔。课题组找到,在上述二维材料中,电子和空穴的结合能十分低,可构成平稳的激子态,具备较高的闪烁效率。硅基纳米臂腔具备超高的光学品质因子,而二碲简化钼的激子电磁辐射波长在硅材料内完全没吸取。因而,二维材料和硅基纳米臂腔的“强劲-强劲”融合,是将激光器运转温度提高到室温的最重要原因。

纳米线的信号强化和光学清净增益的测试结果,图为测试系统照片。此研究必须制作尺寸精准的纳米悬臂结构,并在悬臂上光刻出有大小有所不同的一维圆孔阵列,同时将只有单层的二维材料精准地移往到纳米悬臂结构上,这对纳米加工和纳米操作者技术明确提出了极大挑战。宁存政教授率领青年教师李永卓等人攻下了一系列艰难,再一在世界上首次构建了二维材料纳米激光的室温运转。

纳米激光器研究对基础研究和实际应用于都有最重要意义。首先,二维材料作为最厚的光学增益材料,已被证明可以反对低温下的激光运转,但是这种单层分子材料否不足以反对室温下的激光运转,在科技界仅存顾虑。室温运转是绝大部分激光实际应用于的前提,因而新型激光的室温运转在半导体激光发展史上具备指标性意义。

另外,由于二维材料中极强的库伦相互作用,电子和空穴总是以激子态经常出现,因而这种激光实质上与一种新型的激子极化激元的玻色-爱因斯坦汇聚密切相关,是基础物理领域目前尤为活跃的课题之一。助理研究员孙皓等人公开发表在《大自然·光子学》杂志的长文“单晶铒氯硅酸盐纳米线中的超高光学增益”(Giantopticalgaininasingle-crystalerbiumchloridesilicatenanowire),首次报导了在单根铒化合物纳米线波导中构建小于100dB/cm的光学清净增益。该研究成果突破了传统掺入铒材料中光学增益仅有为几个dB/cm的容许,为在硅基光电构建芯片上构建纳米尺度的高增益光放大器奠下了最重要基础。

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掺入铒光纤放大器是全光网络和信息高速传送系统中不可缺少的关键器件,其问世是光纤通信领域革命性的技术突破,使得长距离、高速率、大容量的光纤通信沦为有可能。然而在典型的掺入铒材料中由于铒离子浓度太低,使得每厘米的光学增益仅有为几个dB。因此,基于掺入铒材料的激光器和放大器由于尺寸过大,无法用作未来光子芯片上的系统集成。

将近几十年来,人们仍然企图另辟蹊径,转而研究不含铒浓度很高的铒化合物,企图通过铒浓度的减少来提升光学增益。但研究找到,使用薄膜外延生长的铒化合物由于结晶质量较好、造成荧光寿命过短,同时由于不含铒浓度低还不会引起荧光淬灭效应,目前还仍未光学清净增益的报导。如何将这种长距离光通信中的顺利技术典范扩展到光子构建芯片领域,是亟待解决的根本性课题,也是将近几十年来的一个研究重点。

近年来,宁存政教授课题组顺利研制出一种生长在硅基衬底上的新型单晶铒化合物纳米线。为了取得具备低光学增益的不含铒材料,一般来说必须同时符合低不含铒浓度和较好结晶质量的条件。

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宁存政教授率领青年教师孙皓等人经过几年的不懈努力,顺利攻下了亚微米尺度下单根纳米线波导精准测试的诸多瓶颈难题,最后取得几近无缺失的具备单晶结晶质量的低不含铒浓度纳米线。课题组首次在单根纳米线上精确测量了材料的本征吸收系数,最后取得高达100dB/cm的光学清净增益,远高于其他不含铒材料的报导值。这一研究结果对微纳结构材料的基础物理特性研究和器件应用于具有最重要意义。首先,不含铒材料的增益特性研究为更进一步研发工作于光通信波段1.5μm的硅基片上光子构建有源器件奠下了物理基础;其次,融合不含铒材料的量子相干性寿命长并且谱线较宽等特点,使其在量子信息系统应用于中极具吸引力;此外,该材料还可应用于在诸如太阳能电池、液体灯光、生物荧光标记等领域。

同时,该研究对于具备相近结晶质量的其他稀土元素的纳米线结构的研究,也具备参照意义。以上两项研究的另一重大意义在于硅基光电子构建和未来计算机芯片。

众所周知,硅材料是目前微电子技术还包括计算机芯片的基础,也是未来光电构建的极有可能的基底材料。但由于硅是一个效率极低的闪烁材料,所以未来光电构建芯片中必须以某种方式将其它闪烁材料与硅衬底构建。

而这种构建也是将近几十年来光电构建中悬而未决的难题。一般来说作法是将闪烁效率高的III-V族化合物半导体与硅黏合在一起。与此比起,二维材料或是纳米线结构会由于形变或晶格失配引发任何受损或性能减少,为未来硅基光电构建获取了一个新的思路。这两项研究工作皆是清华大学与美国亚利桑那州而立大学的合作成果,关键工作在国内已完成。

电子系助理研究员孙皓为《大自然·光子学》文章的第一作者,其它最重要合作者还包括亚利桑那州而立大学的殷雷俊博士和刘志程博士,清华课题组工程师郑熠泽等。电子系助理研究员李永卓为《大自然·纳米技术》文章的第一作者,参予论文工作的还有清华大学博士生章星展银行、工程师朱丹丹、助理研究员孙皓、博士生冯家斌和王震,以及亚利桑那州而立大学的樊帆博士。宁存政教授为两篇论文的通信作者。

以上研究获得了清华大学自律科研项目和中组部千人计划的反对。


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