清华大学电子系“千人计划”专家宁存政教授多年从事研究半导体发光物理、纳米光子学、器件极端微型化制作及表征，曾在世界上首次制成尺寸小于半波长的电注入纳米激光器，并第一个实现了电注入金属腔纳米激光器的室温连续模运转，是纳米激光技术领域的开拓型领军人物。宁存政教授课题组长期致力于微纳光电子材料器件的物理及应用研究，探索激光器和光放大器尺寸小型化的极限，及研发新型纳米光电材料，为最终光电集成及其在未来计算机芯片上的应用进行前沿探索。
 

7月17日，宁存政教授课题组助理研究员孙皓等人在Nature Photonics上发表了题为“单晶铒氯硅酸盐纳米线中的超高光学增益”(Giant optical gain in a single-crystal erbium chloride silicate nanowire)的研究成果，首次报道了在单根铒化合物纳米线波导中实现大于100 dB/cm的光学净增益。该研究成果突破了传统掺铒材料中光学增益仅为几个dB/cm的限制，为在硅基光电集成芯片上实现纳米尺度的高增益光放大器奠定了重要基础。
 

掺铒光纤放大器是全光网络和未来信息高速系统中不可缺少的关键器件，其问世是光纤通信领域革命性的技术突破，使得长距离、高速率、大容量的光纤通信成为可能。然而在典型的掺铒材料中由于铒离子浓度较低，从而限制了每厘米的光学增益仅为几个dB。因此，基于掺铒材料的激光器和放大器的尺寸过大，无法用于未来光子芯片上的系统集成。近几十年来，科学家一直试图另寻他径，转而研究含铒浓度很高的铒化合物，试图通过铒浓度的增加来提高光学增益。但是，学术界发现，采用薄膜外延生长的铒化合物由于结晶质量较差、导致荧光寿命过短，同时由于含铒浓度高还会引发荧光淬灭效应，目前还未有光学净增益的报道。如何将这种长距离光通信中的成功技术典范拓展到光子集成芯片领域，是亟待解决的重大课题，成为近几十年来的一个研究重点。

 

图1 纳米线波导实现光放大的示意图（左），纳米线的扫描电子显微镜照片（右）
 

近年来，宁存政教授课题组成功研制出一种生长在硅基衬底上的新型单晶铒化合物纳米线——铒氯硅酸盐(Erbium Chloride Silicate，简称ECS)。不同于一般的掺铒材料，这是一个含铒的化合物，其铒浓度比通常掺杂高2-3个数量级，又没有通常掺杂材料中的铒离子聚合导致荧光淬灭。为了获得具有高光学增益的含铒材料，通常需要同时满足高含铒浓度和良好结晶质量的条件。为了攻克这一技术难题，课题组成员经过几年的不懈努力，最终获得近乎无缺陷的具有单晶结晶质量的高含铒浓度纳米线。宁存政教授带领青年教师孙皓等人，攻克了亚微米尺度下单根纳米线波导精准测试的诸多瓶颈难点。首次在单根纳米线上准确测量了材料的本征吸收系数，最终获得高达100 dB/cm的光学净增益，远高于其他含铒材料的报道值。

 

图2 纳米线的信号增强和光学净增益的测试结果，插图为测试系统照片
 

这一研究结果对微纳结构材料的基础物理特性研究和器件应用有着重要意义。首先，含铒材料的增益特性研究为未来研发工作于光通信波段1.5 ?m的硅基片上光子集成的有源器件奠定了物理基础，诸如纳米尺度激光器和光放大器等；根据估算，这样超高增益能足以在芯片上用这种材料做成亚-毫米尺寸的激光和放大器。其次，结合含铒材料的量子相干寿命长并且光谱线宽很窄等特点，使其在量子信息系统应用中极具吸引力；此外，该材料还可应用在诸如太阳能电池，固体照明，生物荧光标记等领域。同时该项研究对于具有相似结晶质量的其他稀土元素的纳米线结构的研究具有重要参考意义。

该研究工作是清华大学与美国亚利桑那州立大学的合作成果，关键工作在国内完成。电子系助理研究员孙皓为论文第一作者，宁存政教授为论文通讯作者。其它合作者包括亚利桑那州立大学的殷雷俊博士和刘志程博士，清华课题组工程师郑熠泽等。