湖南大学在纳米激光器研究上取得系列重要进展

最近发展起来的硅基集成光子技术，使用光子代替传统的电子作为信息传递的载体，可以大大减低信息处理系统运行的能耗，提高信息传送的速度和容量，为传统集成电路性能的提高带来了希望。但硅基集成光子技术一个重要的不足是很难实现可集成的纳米光源，从而使得系统的尺寸过大，无法实现高密度、高集成的光子芯片技术。发展微纳米尺度的集成光源——纳米激光器，为解决集成光子技术研究面临的光源瓶颈至关重要。

我校物理与微电子科学学院潘安练教授领衔的集成光电子团队，长期致力于集成光子技术的研发，发展了通过功能纳米结构的可控制作和组装实现集成光子芯片的新思路，已在多个方面取得了国际影响的突破性成果。近年来，团队核心成员张清林副教授一直专注于新型纳米激光器的研发，近期在纳米激光集成、低阈值单模激光及纳米激光机理研究等方面取得系列重要原创性成果。

成果一：针对纳米激光器集成难的技术瓶颈，通过物理仿真和实验验证，成功实现了将纳米激光阵列集成在一个微纳米尺度的半导体纳米带上，为纳米激光器高效集成提供了新的设计思路和方法，该纳米激光器阵列将在光子集成电路，信号处理，高通量生物传感，显示等领域具有潜在的应用。这一成果最近发表在物理和光子学顶级刊物Laser & Photonics Reviews 2016, 10, 458-464, （IF=7.846 ）上。

图片说明：(a)-(c) 纳米激光阵列的结构形貌图，(d)纳米激光的光场分布模拟结果，(e)纳米激光阵列的激光发射过程图及相应显微光学图像。

成果二：针对现有纳米激光存在阈值高、模式不单一等不足，发展了一套将半导体纳米结构和分布式介质布拉格反射器微腔相集成的工艺技术，有效克服了光在纳米结构微腔波导过程中损耗大的缺点，成功实现了纳米尺度增益介质的光放大，从而得到了具有单模，低阈值（8 μJ/cm2），高偏振度（97.4%）等优点的纳米激光器。这一结果最近发表在纳米能源领域的顶级期刊Nano Energy 2016, 30, 481-487（IF=11.553）上。

图片说明：(a)半导体纳米结构在介质DBR微腔中结构示意图。(b)微腔的局部发达示意图。箭头表示光谐振和放大。(c) 半导体纳米结构在DBR微腔中的截面SEM图。(d)激发能量依赖的荧光光谱及显微发光图。

成果三：发展了一套可控合成半导体纳米异质结构的新工艺，成功实现了高结晶质量、界面突变的轴向异质结纳米线，从而将具有绿、红双色的纳激光器集成在单根纳米线上。时间分辨荧光研究表明了半导体异质间的能量转移，揭示了光在纳米线微腔波导过程中与半导体介质间的相互作用及载流子在纳米线异质结构中的动力学过程。此研究成果为制备高性能多色纳米激光器、高效光电探测器、光波导器件等具有重要的理论和实践指导意义。相关结果再次发表在纳米能源领域的顶级期刊Nano Energy (IF=11.553, http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.12.014)上。

图片说明：(a-b) 合成的轴向异质结纳米线在激光激发下的显微发光图像。(c)激发功率依赖的发光光谱。(d) 载流子在界面处的能量转移示意图。

此外，窄带隙砷化铟半导体（能隙：0.35 eV）是非常重要的电子和红外光电材料，已在信息器件领域得到广泛的应用。研究纳米尺度的高性能砷化铟基信息器件，是集成光电子研究领域的重要任务。通常砷化铟纳米线由于表面缺陷态丰富表现出负光电导效应，不利于实现宽频快速红外光探测。

最近，本课题组与中科院上海技术物理所合作，创新的利用可见光诱导photogating辅助效应，首次成功实现了从830 nm到3113 nm的宽谱红外光探测，并将探测速度提高至几十微秒，探测率高达1011 Jones。相关研究成果发表在纳米技术顶级刊物纳米快报上[Nano Letter 16, 6416 (2016), IF =13.8].

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