清華電子係寧存政課題組在矽基納米激光器和光放大器研究取得重大突破

作者: 伊人影院科技集團 / 時間: 2019-06-08 23:15:18
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清華電子係寧存政課題組在矽基納米激光器和光放大器研究取得重大突破

清華新聞網7月20日電 納米尺度上的激光器和光放大器是未來芯片上光電集成的核心器件,對未來超級計算機和“片上數據中心”等信息科學技術至關重要。如能將這些納米級器件做在矽基襯底上,將引領片上光互連的革命性發展,因而成為近幾十年來國際學術界和科技產業界共同關注的焦點之一。

清華大學電子係“千人計劃”專家寧存政教授長期研究半導體發光物理、納米光子學、器件極端微型化製作及表征,曾在世界上首次製成尺寸小於半波長的電注入納米激光器,並首次實現了電注入金屬腔納米激光器的室溫連續模運轉,是納米激光技術領域的開拓型領軍人物。寧存政教授課題組一直致力於微納光電子材料器件的物理及應用研究,不斷突破激光器和光放大器尺寸小型化極限,為光電集成及其在未來計算機芯片上的應用進行前沿探索。十多年來,課題組專注開發納米激光器和具有高光學增益的光放大器新材料,最近同時在這兩方麵取得重大突破,並於7月17日同日在《自然》雜誌的兩個子刊《自然·光子學》(Nature Photonics)和《自然·納米技術》(Nature Nanotechnology)上發表了最新的實驗結果。

清華電子係寧存政課題組在矽基納米激光器和光放大器研究取得重大突破

圖片說明:基於二維材料的納米激光器的結構示意圖。

網狀結構示意單層二維材料,底下是一個用作激光腔的矽納米懸臂。

助理研究員李永卓等人在《自然·納米技術》上發表的“基於單層二碲化鉬和矽納米臂腔的室溫連續模納米激光”(Room-temperature continuous-wave lasing from monolayer molybdenum ditelluride integrated with a silicon nanobeam cavity),首次報道了室溫下連續模運轉的基於二維材料的納米激光器。這種隻有單層分子厚度的二維半導體材料受到多個領域的高度重視,二維材料憑借其獨特的激子發光機製為納米激光提供了最薄的光學增益材料。兩年前,美國科學家在可見光波段實現了低溫下運轉的激光激射,但室溫運轉一直沒有實現。

寧存政教授領導的課題組結合多年來開展的納米激光研究經驗,利用厚度隻有0.7納米的單層二碲化鉬作為增益材料,以一個寬度僅300多納米、厚度200多納米的矽納米臂腔作為激光器諧振腔。課題組發現,在上述二維材料中,電子和空穴的結合能非常高,可形成穩定的激子態,具有較高的發光效率。矽基納米臂腔具有超高的光學品質因子,而二碲化鉬的激子輻射波長在矽材料內幾乎沒有吸收。因而,二維材料和矽基納米臂腔的“強-強”結合,是將激光器運轉溫度提升到室溫的重要原因。

此研究需要製作尺寸精準的納米懸臂結構,並在懸臂上刻蝕出大小不同的一維圓孔陣列,同時將隻有單層的二維材料精準地轉移到納米懸臂結構上,這對納米加工和納米操作技術提出了巨大挑戰。寧存政教授帶領青年教師李永卓等人攻克了一係列困難,終於在世界上首次實現了二維材料納米激光的室溫運轉。

納米激光器研究對基礎研究和實際應用都有重要意義。首先,二維材料作為最薄的光學增益材料,已被證明可以支持低溫下的激光運轉,但是這種單層分子材料是否足以支持室溫下的激光運轉,在科技界尚存疑慮。室溫運轉是絕大部分激光實際應用的前提,因而新型激光的室溫運轉在半導體激光發展史上具有指標性意義。另外,由於二維材料中極強的庫倫相互作用,電子和空穴總是以激子態出現,因而這種激光實際上與一種新型的激子極化激元的玻色-愛因斯坦凝聚密切相關,是基礎物理領域目前最為活躍的課題之一。

清華電子係寧存政課題組在矽基納米激光器和光放大器研究取得重大突破

納米線波導實現光放大的示意圖(左),納米線的掃描電子顯微鏡照片(右)。

助理研究員孫皓等人發表在《自然·光子學》雜誌的長文“單晶鉺氯矽酸鹽納米線中的超高光學增益”(Giant optical gain in a single-crystal erbium chloride silicate nanowire),首次報道了在單根鉺化合物納米線波導中實現大於100 dB/cm的光學淨增益。該研究成果突破了傳統摻鉺材料中光學增益僅為幾個dB/cm的限製,為在矽基光電集成芯片上實現納米尺度的高增益光放大器奠定了重要基礎。

摻鉺光纖放大器是全光網絡和信息高速傳遞係統中不可缺少的關鍵器件,其問世是光纖通信領域革命性的技術突破,使得長距離、高速率、大容量的光纖通信成為可能。然而在典型的摻鉺材料中由於鉺離子濃度太低,使得每厘米的光學增益僅為幾個dB。因此,基於摻鉺材料的激光器和放大器由於尺寸過大,無法用於未來光子芯片上的係統集成。

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