硅基納米激光器和光放大器研究取得重大突破

　　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(duì)未來超級(jí)計(jì)算機(jī)和“片上數(shù)據(jù)中心”等信息科學(xué)技術(shù)至關(guān)重要。如能將這些納米級(jí)器件做在硅基襯底上，將引領(lǐng)片上光互連的革命性發(fā)展，因而成為近幾十年來國(guó)際學(xué)術(shù)界和科技產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

　　清華大學(xué)電子系“千人計(jì)劃”專家寧存政教授長(zhǎng)期研究半導(dǎo)體發(fā)光物理、納米光子學(xué)、器件極端微型化制作及表征，曾在世界上首次制成尺寸小于半波長(zhǎng)的電注入納米激光器，并首次實(shí)現(xiàn)了電注入金屬腔納米激光器的室溫連續(xù)模運(yùn)轉(zhuǎn)，是納米激光技術(shù)領(lǐng)域的開拓型領(lǐng)軍人物。寧存政教授課題組一直致力于微納光電子材料器件的物理及應(yīng)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(jì)算機(jī)芯片上的應(yīng)用進(jìn)行前沿探索。十多年來，課題組專注開發(fā)納米激光器和具有高光學(xué)增益的光放大器新材料，最近同時(shí)在這兩方面取得重大突破，并于7月17日同日在《自然》雜志的兩個(gè)子刊《自然·光子學(xué)》(Nature Photonics)和《自然·納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)上發(fā)表了最新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　圖片說明：基于二維材料的納米激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)示意單層二維材料，底下是一個(gè)用作激光腔的硅納米懸臂。

　　助理研究員李永卓等人在《自然·納米技術(shù)》上發(fā)表的“基于單層二碲化鉬和硅納米臂腔的室溫連續(xù)模納米激光”(Room-temperature continuous-wave lasing from monolayer molybdenum ditelluride integrated with a silicon nanobeam cavity)，首次報(bào)道了室溫下連續(xù)模運(yùn)轉(zhuǎn)的基于二維材料的納米激光器。這種只有單層分子厚度的二維半導(dǎo)體材料受到多個(gè)領(lǐng)域的高度重視，二維材料憑借其獨(dú)特的激子發(fā)光機(jī)制為納米激光提供了最薄的光學(xué)增益材料。兩年前，美國(guó)科學(xué)家在可見光波段實(shí)現(xiàn)了低溫下運(yùn)轉(zhuǎn)的激光激射，但室溫運(yùn)轉(zhuǎn)一直沒有實(shí)現(xiàn)。

　　寧存政教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組結(jié)合多年來開展的納米激光研究經(jīng)驗(yàn)，利用厚度只有0.7納米的單層二碲化鉬作為增益材料，以一個(gè)寬度僅300多納米、厚度200多納米的硅納米臂腔作為激光器諧振腔。課題組發(fā)現(xiàn)，在上述二維材料中，電子和空穴的結(jié)合能非常高，可形成穩(wěn)定的激子態(tài)，具有較高的發(fā)光效率。硅基納米臂腔具有超高的光學(xué)品質(zhì)因子，而二碲化鉬的激子輻射波長(zhǎng)在硅材料內(nèi)幾乎沒有吸收。因而，二維材料和硅基納米臂腔的“強(qiáng)-強(qiáng)”結(jié)合，是將激光器運(yùn)轉(zhuǎn)溫度提升到室溫的重要原因。

　　納米線的信號(hào)增強(qiáng)和光學(xué)凈增益的測(cè)試結(jié)果，圖為測(cè)試系統(tǒng)照片。

　　此研究需要制作尺寸精準(zhǔn)的納米懸臂結(jié)構(gòu)，并在懸臂上刻蝕出大小不同的一維圓孔陣列，同時(shí)將只有單層的二維材料精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)移到納米懸臂結(jié)構(gòu)上，這對(duì)納米加工和納米操作技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)。寧存政教授帶領(lǐng)青年教師李永卓等人攻克了一系列困難，終于在世界上首次實(shí)現(xiàn)了二維材料納米激光的室溫運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　納米激光器研究對(duì)基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用都有重要意義。首先，二維材料作為最薄的光學(xué)增益材料，已被證明可以支持低溫下的激光運(yùn)轉(zhuǎn)，但是這種單層分子材料是否足以支持室溫下的激光運(yùn)轉(zhuǎn)，在科技界尚存疑慮。室溫運(yùn)轉(zhuǎn)是絕大部分激光實(shí)際應(yīng)用的前提，因而新型激光的室溫運(yùn)轉(zhuǎn)在半導(dǎo)體激光發(fā)展史上具有指標(biāo)性意義。另外，由于二維材料中極強(qiáng)的庫(kù)倫相互作用，電子和空穴總是以激子態(tài)出現(xiàn)，因而這種激光實(shí)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(guān)，是基礎(chǔ)物理領(lǐng)域目前最為活躍的課題之一。

　　助理研究員孫皓等人發(fā)表在《自然·光子學(xué)》雜志的長(zhǎng)文“單晶鉺氯硅酸鹽納米線中的超高光學(xué)增益”(Giant optical gain in a single-crystal erbium chloride silicate nanowire)，首次報(bào)道了在單根鉺化合物納米線波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)大于100 dB/cm的光學(xué)凈增益。該研究成果突破了傳統(tǒng)摻鉺材料中光學(xué)增益僅為幾個(gè)dB/cm的限制，為在硅基光電集成芯片上實(shí)現(xiàn)納米尺度的高增益光放大器奠定了重要基礎(chǔ)。

　　摻鉺光纖放大器是全光網(wǎng)絡(luò)和信息高速傳遞系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵器件，其問世是光纖通信領(lǐng)域革命性的技術(shù)突破，使得長(zhǎng)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于鉺離子濃度太低，使得每厘米的光學(xué)增益僅為幾個(gè)dB。因此，基于摻鉺材料的激光器和放大器由于尺寸過大，無法用于未來光子芯片上的系統(tǒng)集成。

　　近幾十年來，人們一直試圖另辟蹊徑，轉(zhuǎn)而研究含鉺濃度很高的鉺化合物，試圖通過鉺濃度的增加來提高光學(xué)增益。但研究發(fā)現(xiàn)，采用薄膜外延生長(zhǎng)的鉺化合物由于結(jié)晶質(zhì)量較差、導(dǎo)致熒光壽命過短，同時(shí)由于含鉺濃度高還會(huì)引發(fā)熒光淬滅效應(yīng)，目前還未有光學(xué)凈增益的報(bào)道。如何將這種長(zhǎng)距離光通信中的成功技術(shù)典范拓展到光子集成芯片領(lǐng)域，是亟待解決的重大課題，也是近幾十年來的一個(gè)研究重點(diǎn)。

　　近年來，寧存政教授課題組成功研制出一種生長(zhǎng)在硅基襯底上的新型單晶鉺化合物納米線。為了獲得具有高光學(xué)增益的含鉺材料，通常需要同時(shí)滿足高含鉺濃度和良好結(jié)晶質(zhì)量的條件。寧存政教授帶領(lǐng)青年教師孫皓等人經(jīng)過幾年的不懈努力，成功攻克了亞微米尺度下單根納米線波導(dǎo)精準(zhǔn)測(cè)試的諸多瓶頸難點(diǎn)，最終獲得近乎無缺陷的具有單晶結(jié)晶質(zhì)量的高含鉺濃度納米線。。課題組首次在單根納米線上準(zhǔn)確測(cè)量了材料的本征吸收系數(shù)，最終獲得高達(dá)100dB/cm的光學(xué)凈增益，遠(yuǎn)高于其他含鉺材料的報(bào)道值。

　　這一研究結(jié)果對(duì)微納結(jié)構(gòu)材料的基礎(chǔ)物理特性研究和器件應(yīng)用有著重要意義。首先，含鉺材料的增益特性研究為進(jìn)一步開發(fā)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礎(chǔ);其次，結(jié)合含鉺材料的量子相干壽命長(zhǎng)并且譜線很窄等特點(diǎn)，使其在量子信息系統(tǒng)應(yīng)用中極具吸引力;此外，該材料還可應(yīng)用在諸如太陽能電池、固體照明、生物熒光標(biāo)記等領(lǐng)域。同時(shí)，該研究對(duì)于具有相似結(jié)晶質(zhì)量的其他稀土元素的納米線結(jié)構(gòu)的研究，也具有參考意義。

　　以上兩項(xiàng)研究的另一重大意義在于硅基光電子集成和未來計(jì)算機(jī)芯片。眾所周知，硅材料是目前微電子技術(shù)包括計(jì)算機(jī)芯片的基礎(chǔ)，也是未來光電集成的極可能的基底材料。但由于硅是一個(gè)效率極低的發(fā)光材料，所以未來光電集成芯片中需要以某種方式將其它發(fā)光材料與硅襯底集成。而這種集成也是近幾十年來光電集成中懸而未決的難題。通常做法是將發(fā)光效率高的III-V族化合物半導(dǎo)體與硅粘合在一起。與此相比，二維材料或是納米線結(jié)構(gòu)不會(huì)由于應(yīng)力或晶格失配引起任何損傷或性能降低，為未來硅基光電集成提供了一個(gè)新的思路。

　　這兩項(xiàng)研究工作均是清華大學(xué)與美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)的合作成果，關(guān)鍵工作在國(guó)內(nèi)完成。電子系助理研究員孫皓為《自然·光子學(xué)》文章的第一作者，其它重要合作者包括亞利桑那州立大學(xué)的殷雷俊博士和劉志程博士，清華課題組工程師鄭熠澤等。電子系助理研究員李永卓為《自然·納米技術(shù)》文章的第一作者，參與論文工作的還有清華大學(xué)博士生章建行、工程師黃丹丹、助理研究員孫皓、博士生馮家斌和王震，以及亞利桑那州立大學(xué)的樊帆博士。寧存政教授為兩篇論文的通信作者。以上研究得到了清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目和中組部千人計(jì)劃的支持。