最近發(fā)展起來的硅基集成光子技術(shù)，使用光子代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子作為信息傳遞的載體，可以大大減低信息處理系統(tǒng)運行的能耗，提高信息傳送的速度和容量，為傳統(tǒng)集成電路性能的提高帶來了希望。但硅基集成光子技術(shù)一個重要的不足是很難實現(xiàn)可集成的納米光源，從而使得系統(tǒng)的尺寸過大，無法實現(xiàn)高密度、高集成的光子芯片技術(shù)。發(fā)展微納米尺度的集成光源——納米激光器，為解決集成光子技術(shù)研究面臨的光源瓶頸至關(guān)重要。
我校物理與微電子科學(xué)學(xué)院潘安練教授領(lǐng)銜的集成光電子團隊，長期致力于集成光子技術(shù)的研發(fā)，發(fā)展了通過功能納米結(jié)構(gòu)的可控制作和組裝實現(xiàn)集成光子芯片的新思路，已在多個方面取得了國際影響的突破性成果。近年來，團隊核心成員張清林副教授一直專注于新型納米激光器的研發(fā)，近期在納米激光集成、低閾值單模激光及納米激光機理研究等方面取得系列重要原創(chuàng)性成果。
成果一：針對納米激光器集成難的技術(shù)瓶頸，通過物理仿真和實驗驗證，成功實現(xiàn)了將納米激光陣列集成在一個微納米尺度的半導(dǎo)體納米帶上，為納米激光器高效集成提供了新的設(shè)計思路和方法，該納米激光器陣列將在光子集成電路，信號處理，高通量生物傳感，顯示等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。這一成果最近發(fā)表在物理和光子學(xué)頂級刊物L(fēng)aser & Photonics Reviews 2016, 10, 458-464, （IF=7.846 ）上。
圖片說明：(a)-(c) 納米激光陣列的結(jié)構(gòu)形貌圖，(d)納米激光的光場分布模擬結(jié)果，(e)納米激光陣列的激光發(fā)射過程圖及相應(yīng)顯微光學(xué)圖像。
成果二：針對現(xiàn)有納米激光存在閾值高、模式不單一等不足，發(fā)展了一套將半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)和分布式介質(zhì)布拉格反射器微腔相集成的工藝技術(shù)，有效克服了光在納米結(jié)構(gòu)微腔波導(dǎo)過程中損耗大的缺點，成功實現(xiàn)了納米尺度增益介質(zhì)的光放大，從而得到了具有單模，低閾值（8 μJ/cm2），高偏振度（97.4%）等優(yōu)點的納米激光器。這一結(jié)果最近發(fā)表在納米能源領(lǐng)域的頂級期刊Nano Energy 2016, 30, 481-487（IF=11.553）上。
圖片說明：(a)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)在介質(zhì)DBR微腔中結(jié)構(gòu)示意圖。(b)微腔的局部發(fā)達示意圖。箭頭表示光諧振和放大。(c) 半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)在DBR微腔中的截面SEM圖。(d)激發(fā)能量依賴的熒光光譜及顯微發(fā)光圖。
成果三：發(fā)展了一套可控合成半導(dǎo)體納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新工藝，成功實現(xiàn)了高結(jié)晶質(zhì)量、界面突變的軸向異質(zhì)結(jié)納米線，從而將具有綠、紅雙色的納激光器集成在單根納米線上。時間分辨熒光研究表明了半導(dǎo)體異質(zhì)間的能量轉(zhuǎn)移，揭示了光在納米線微腔波導(dǎo)過程中與半導(dǎo)體介質(zhì)間的相互作用及載流子在納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的動力學(xué)過程。此研究成果為制備高性能多色納米激光器、高效光電探測器、光波導(dǎo)器件等具有重要的理論和實踐指導(dǎo)意義。相關(guān)結(jié)果再次發(fā)表在納米能源領(lǐng)域的頂級期刊Nano Energy (IF=11.553, http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.12.014)上。
圖片說明：(a-b) 合成的軸向異質(zhì)結(jié)納米線在激光激發(fā)下的顯微發(fā)光圖像。(c)激發(fā)功率依賴的發(fā)光光譜。(d) 載流子在界面處的能量轉(zhuǎn)移示意圖。
此外，窄帶隙砷化銦半導(dǎo)體（能隙：0.35 eV）是非常重要的電子和紅外光電材料，已在信息器件領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。研究納米尺度的高性能砷化銦基信息器件，是集成光電子研究領(lǐng)域的重要任務(wù)。通常砷化銦納米線由于表面缺陷態(tài)豐富表現(xiàn)出負光電導(dǎo)效應(yīng)，不利于實現(xiàn)寬頻快速紅外光探測。
最近，本課題組與中科院上海技術(shù)物理所合作，創(chuàng)新的利用可見光誘導(dǎo)photogating輔助效應(yīng)，首次成功實現(xiàn)了從830 nm到3113 nm的寬譜紅外光探測，并將探測速度提高至幾十微秒，探測率高達1011 Jones。相關(guān)研究成果發(fā)表在納米技術(shù)頂級刊物納米快報上[Nano Letter 16, 6416 (2016), IF =13.8].
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