清華大學硅基納米激光器和光放大器研究獲重大突破

【中國化工儀器網 技術前沿】激光器是一門年輕而神秘的學科，吸引著世界最頂尖的科學團隊不停的探索，近年來也一直推陳出新，成果豐碩。納米尺度上的激光器和光放大器是未來晶元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硅基襯底上，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。

清華大學電子系「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徵，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晶元上的應用進行前沿探索。十多年來，課題組專註開發納米激光器和具有高光學增益的光放大器新材料，最近同時在這兩方面取得重大突破，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。

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硅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。這種只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，二維材料憑藉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，利用厚度只有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多納米的硅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。硅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硅材料內幾乎沒有吸收。因而，二維材料和硅基納米臂腔的「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，同時將只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系列困難，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。

助理研究員孫皓等人發表在《自然·光子學》雜誌的長文「單晶鉺氯硅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的光學凈增益。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的限制，為在硅基光電集成晶元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路和信息高速傳遞系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，無法用於未來光子晶元上的系統集成。

近幾十年來，人們一直試圖另闢蹊徑，轉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增益。但研究發現，採用薄膜外延生長的鉺化合物由於結晶質量較差、導致熒光壽命過短，同時由於含鉺濃度高還會引發熒光淬滅效應，目前還未有光學凈增益的報道。如何將這種長距離光通信中的成功技術典範拓展到光子集成晶元領域，是亟待解決的重大課題，也是近幾十年來的一個研究重點。

近年來，寧存政教授課題組成功研製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增益的含鉺材料，通常需要同時滿足高含鉺濃度和良好結晶質量的條件。寧存政教授帶領青年教師孫皓等人經過幾年的不懈努力，成功攻克了亞微米尺度下單根納米線波導精準測試的諸多瓶頸難點，最終獲得近乎無缺陷的具有單晶結晶質量的高含鉺濃度納米線。課題組首次在單根納米線上準確測量了材料的本徵吸收係數，最終獲得高達100dB/cm的光學凈增益，遠高於其他含鉺材料的報道值。

這一研究結果對微納結構材料的基礎物理特性研究和器件應用有著重要意義。首先，含鉺材料的增益特性研究為進一步開發工作於光通信波段1.5 μm的硅基片上光子集成有源器件奠定了物理基礎;其次，結合含鉺材料的量子相干壽命長並且譜線很窄等特點，使其在量子信息系統應用中極具吸引力;此外，該材料還可應用在諸如太陽能電池、固體照明、生物熒游標記等領域。同時，該研究對於具有相似結晶質量的其他稀土元素的納米線結構的研究，也具有參考意義。

以上兩項研究的另一重大意義在於硅基光電子集成和未來計算機晶元。眾所周知，硅材料是目前微電子技術包括計算機晶元的基礎，也是未來光電集成的極可能的基底材料。但由於硅是一個效率極低的發光材料，所以未來光電集成晶元中需要以某種方式將其它發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。通常做法是將發光效率高的III-V族化合物半導體與硅粘合在一起。與此相比，二維材料或是納米線結構不會由於應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新的思路。

這兩項研究工作均是清華大學與美國亞利桑那州立大學的合作成果，關鍵工作在國內完成。電子系助理研究員孫皓為《自然·光子學》文章的第一作者，其它重要合作者包括亞利桑那州立大學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》文章的第一作者，參與論文工作的還有清華大學博士生章建行、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自主科研項目和中組部千人計劃的支持。

編輯點評

硅是半導體行業最常見的材料，基於硅材料的電子晶元被廣泛應用於日常生活的各種設備中，從智能手機、電腦到汽車、飛機、衛星等。隨著技術的發展，研究者發現通過傳統的電氣互聯來進行晶元與系統之間的通信已經難以滿足電子器件之間更快的通信速度以及更複雜系統的要求。此次清華大學硅基納米激光器和光放大器兩項研究獲重大突破，進一步為我國未來硅基光電集成提供了一個新的思路。

（原標題：清華大學硅基納米激光器和光放大器研究獲重大突破）

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