最近發展起來的硅基集成光子技術，使用光子代替傳統的電子作為信息傳遞的載體，可以大大減低信息處理系統運行的能耗，提高信息傳送的速度和容量，為傳統集成電路性能的提高帶來了希望。但硅基集成光子技術一個重要的不足是很難實現可集成的納米光源，從而使得系統的尺寸過大，無法實現高密度、高集成的光子芯片技術。發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研究面臨的光源瓶頸至關重要。
我校物理與微電子科學學院潘安練教授領銜的集成光電子團隊，長期致力于集成光子技術的研發，發展了通過功能納米結構的可控制作和組裝實現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，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性成果。
成果一：針對納米激光器集成難的技術瓶頸，通過物理仿真和實驗驗證，成功實現了將納米激光陣列集成在一個微納米尺度的半導體納米帶上，為納米激光器高效集成提供了新的設計思路和方法，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，顯示等領域具有潛在的應用。這一成果最近發表在物理和光子學頂級刊物Laser & Photonics Reviews 2016, 10, 458-464, （IF=7.846 ）上。
圖片說明：(a)-(c) 納米激光陣列的結構形貌圖，(d)納米激光的光場分布模擬結果，(e)納米激光陣列的激光發射過程圖及相應顯微光學圖像。
成果二：針對現有納米激光存在閾值高、模式不單一等不足，發展了一套將半導體納米結構和分布式介質布拉格反射器微腔相集成的工藝技術，有效克服了光在納米結構微腔波導過程中損耗大的缺點，成功實現了納米尺度增益介質的光放大，從而得到了具有單模，低閾值（8 μJ/cm2），高偏振度（97.4%）等優點的納米激光器。這一結果最近發表在納米能源領域的頂級期刊Nano Energy 2016, 30, 481-487（IF=11.553）上。
圖片說明：(a)半導體納米結構在介質DBR微腔中結構示意圖。(b)微腔的局部發達示意圖。箭頭表示光諧振和放大。(c) 半導體納米結構在DBR微腔中的截面SEM圖。(d)激發能量依賴的熒光光譜及顯微發光圖。
成果三：發展了一套可控合成半導體納米異質結構的新工藝，成功實現了高結晶質量、界面突變的軸向異質結納米線，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體異質間的能量轉移，揭示了光在納米線微腔波導過程中與半導體介質間的相互作用及載流子在納米線異質結構中的動力學過程。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、光波導器件等具有重要的理論和實踐指導意義。相關結果再次發表在納米能源領域的頂級期刊Nano Energy (IF=11.553, http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.12.014)上。
圖片說明：(a-b) 合成的軸向異質結納米線在激光激發下的顯微發光圖像。(c)激發功率依賴的發光光譜。(d) 載流子在界面處的能量轉移示意圖。
此外，窄帶隙砷化銦半導體（能隙：0.35 eV）是非常重要的電子和紅外光電材料，已在信息器件領域得到廣泛的應用。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域的重要任務。通常砷化銦納米線由于表面缺陷態豐富表現出負光電導效應，不利于實現寬頻快速紅外光探測。
最近，本課題組與中科院上海技術物理所合作，創新的利用可見光誘導photogating輔助效應，首次成功實現了從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。相關研究成果發表在納米技術頂級刊物納米快報上[Nano Letter 16, 6416 (2016), IF =13.8].
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