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)凈增益的測試結(jié)果，圖為測試系統(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)與美國亞利桑那州立大學(xué)的合作成果，關(guān)鍵工作在國內(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。