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硅基纳米激光器和光放大器研究取得重大突破

导读: 纳米尺度上的激光器和光放大器是未来芯片上光电集成的核心器件,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。

纳米尺度上的激光器和光放大器是未来芯片上光电集成的核心器件,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在硅基衬底上,将引领片上光互连的革命性发展,因而成为近几十年来国际学术界和科技产业界共同关注的焦点之一。

清华大学电子系“千人计划”专家宁存政教授长期研究半导体发光物理、纳米光子学、器件极端微型化制作及表征,曾在世界上首次制成尺寸小于半波长的电注入纳米激光器,并首次实现了电注入金属腔纳米激光器的室温连续模运转,是纳米激光技术领域的开拓型领军人物。宁存政教授课题组一直致力于微纳光电子材料器件的物理及应用研究,不断突破激光器和光放大器尺寸小型化极限,为光电集成及其在未来计算机芯片上的应用进行前沿探索。十多年来,课题组专注开发纳米激光器和具有高光学增益的光放大器新材料,最近同时在这两方面取得重大突破,并于7月17日同日在《自然》杂志的两个子刊《自然·光子学》(Nature Photonics)和《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)上发表了最新的实验结果。

硅基纳米激光器和光放大器研究取得重大突破

图片说明:基于二维材料的纳米激光器的结构示意图。网状结构示意单层二维材料,底下是一个用作激光腔的硅纳米悬臂。

助理研究员李永卓等人在《自然·纳米技术》上发表的“基于单层二碲化钼和硅纳米臂腔的室温连续模纳米激光”(Room-temperature continuous-wave lasing from monolayer molybdenum ditelluride integrated with a silicon nanobeam cavity),首次报道了室温下连续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,二维材料凭借其独特的激子发光机制为纳米激光提供了最薄的光学增益材料。两年前,美国科学家在可见光波段实现了低温下运转的激光激射,但室温运转一直没有实现。

宁存政教授领导的课题组结合多年来开展的纳米激光研究经验,利用厚度只有0.7纳米的单层二碲化钼作为增益材料,以一个宽度仅300多纳米、厚度200多纳米的硅纳米臂腔作为激光器谐振腔。课题组发现,在上述二维材料中,电子和空穴的结合能非常高,可形成稳定的激子态,具有较高的发光效率。硅基纳米臂腔具有超高的光学品质因子,而二碲化钼的激子辐射波长在硅材料内几乎没有吸收。因而,二维材料和硅基纳米臂腔的“强-强”结合,是将激光器运转温度提升到室温的重要原因。

硅基纳米激光器和光放大器研究取得重大突破

纳米线的信号增强和光学净增益的测试结果,图为测试系统照片。

此研究需要制作尺寸精准的纳米悬臂结构,并在悬臂上刻蚀出大小不同的一维圆孔阵列,同时将只有单层的二维材料精准地转移到纳米悬臂结构上,这对纳米加工和纳米操作技术提出了巨大挑战。宁存政教授带领青年教师李永卓等人攻克了一系列困难,终于在世界上首次实现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都有重要意义。首先,二维材料作为最薄的光学增益材料,已被证明可以支持低温下的激光运转,但是这种单层分子材料是否足以支持室温下的激光运转,在科技界尚存疑虑。室温运转是绝大部分激光实际应用的前提,因而新型激光的室温运转在半导体激光发展史上具有指标性意义。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出现,因而这种激光实际上与一种新型的激子极化激元的玻色-爱因斯坦凝聚密切相关,是基础物理领域目前最为活跃的课题之一。

助理研究员孙皓等人发表在《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”(Giant optical gain in a single-crystal erbium chloride silicate nanowire),首次报道了在单根铒化合物纳米线波导中实现大于100 dB/cm的光学净增益。该研究成果突破了传统掺铒材料中光学增益仅为几个dB/cm的限制,为在硅基光电集成芯片上实现纳米尺度的高增益光放大器奠定了重要基础。

掺铒光纤放大器是全光网络和信息高速传递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、大容量的光纤通信成为可能。然而在典型的掺铒材料中由于铒离子浓度太低,使得每厘米的光学增益仅为几个dB。因此,基于掺铒材料的激光器和放大器由于尺寸过大,无法用于未来光子芯片上的系统集成。

近几十年来,人们一直试图另辟蹊径,转而研究含铒浓度很高的铒化合物,试图通过铒浓度的增加来提高光学增益。但研究发现,采用薄膜外延生长的铒化合物由于结晶质量较差、导致荧光寿命过短,同时由于含铒浓度高还会引发荧光淬灭效应,目前还未有光学净增益的报道。如何将这种长距离光通信中的成功技术典范拓展到光子集成芯片领域,是亟待解决的重大课题,也是近几十年来的一个研究重点。

近年来,宁存政教授课题组成功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。为了获得具有高光学增益的含铒材料,通常需要同时满足高含铒浓度和良好结晶质量的条件。宁存政教授带领青年教师孙皓等人经过几年的不懈努力,成功攻克了亚微米尺度下单根纳米线波导精准测试的诸多瓶颈难点,最终获得近乎无缺陷的具有单晶结晶质量的高含铒浓度纳米线。。课题组首次在单根纳米线上准确测量了材料的本征吸收系数,最终获得高达100dB/cm的光学净增益,远高于其他含铒材料的报道值。

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有着重要意义。首先,含铒材料的增益特性研究为进一步开发工作于光通信波段1.5 μm的硅基片上光子集成有源器件奠定了物理基础;其次,结合含铒材料的量子相干寿命长并且谱线很窄等特点,使其在量子信息系统应用中极具吸引力;此外,该材料还可应用在诸如太阳能电池、固体照明、生物荧光标记等领域。同时,该研究对于具有相似结晶质量的其他稀土元素的纳米线结构的研究,也具有参考意义。

以上两项研究的另一重大意义在于硅基光电子集成和未来计算机芯片。众所周知,硅材料是目前微电子技术包括计算机芯片的基础,也是未来光电集成的极可能的基底材料。但由于硅是一个效率极低的发光材料,所以未来光电集成芯片中需要以某种方式将其它发光材料与硅衬底集成。而这种集成也是近几十年来光电集成中悬而未决的难题。通常做法是将发光效率高的III-V族化合物半导体与硅粘合在一起。与此相比,二维材料或是纳米线结构不会由于应力或晶格失配引起任何损伤或性能降低,为未来硅基光电集成提供了一个新的思路。

这两项研究工作均是清华大学与美国亚利桑那州立大学的合作成果,关键工作在国内完成。电子系助理研究员孙皓为《自然·光子学》文章的第一作者,其它重要合作者包括亚利桑那州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《自然·纳米技术》文章的第一作者,参与论文工作的还有清华大学博士生章建行、工程师黄丹丹、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。以上研究得到了清华大学自主科研项目和中组部千人计划的支持。

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