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前沿进展 | 硅纳米晶分布反馈激光:硅基单片集成光源瓶颈的新破局者

两万人都 爱光学 2022-05-13

“中国光学十大进展”候选栏目正式更名为“前沿进展”,全新的命名,全新的开始,欢迎广大专家学者投稿。

1 导读
复旦大学信息科学与工程学院电光源研究所张树宇副研究员课题组光科学与工程系陆明教授课题组在高增益硅纳米晶激光研究上取得重要进展:通过对硅纳米晶激射阈值处平均激子占有数极低这一反常现象进行激子动力学研究,团队发现,得益于激子自陷态,充分氢钝化的硅纳米晶系统是多能级增益体系,能有效抑制俄歇复合,团队基于此建立并验证了该体系的理论模型。

研究成果以“Edge-emitting Silicon Nanocrystal Distributed Feedback Laser with Extremely Low Exciton Threshold”为题,于2021年4月发表于期刊ACS Photonics,并当选5月刊的封面文章。

图1  亚稳表面态参与的低激子阈值硅纳米晶激射物理模型与一阶DFB边发射现象2021 | 前沿进展

2 研究背景
将紧凑相干光源单片集成到硅光子芯片上,一直以来都是硅光研究中的焦点,被誉为是硅光子学的“最后一块拼图”。以硅(纳米晶)作为光增益材料的单片相干光源是一条理想的技术路线,但实现的过程极具挑战性,这一方面因为硅是间接带隙材料,另一方面因为纳米尺度的硅纳米晶,其特性又会受到表面态效应、量子效应等机制的影响。陆明课题组长期致力于提升硅纳米晶薄膜的光增益系数,并取得了显著的效果。在此基础上,合作团队在之前的工作中引入二阶分布反馈谐振腔,实现了高增益硅纳米晶波长可调谐的受激辐射,但其受激辐射物理机制尚未得到充分研究,表面态、间接带隙等疑问依然有待解答。
3 研究创新点1
基于三明治结构复合纳米压印模板的一阶硅纳米晶DFB激光
图2  (a)新型复合纳米压印过程、(b)结构加工结果与(c-e)一阶边发射硅纳米晶DFB激光器表征
研究团队为了更好的匹配片上集成需求,制备了基于一阶分布反馈谐振腔的边发射硅纳米晶激光器。在制作工艺上,团队使用具有缓冲层夹层的复合纳米压印模板,抵消了旋涂退火后硅纳米晶薄膜表面的起伏和颗粒缺陷,实现了面积为10×10 mm2、特征线宽110 nm的纳米压印刻蚀转移,可靠地组装了具有良好表面形貌的一阶分布反馈谐振腔。该器件在脉冲飞秒激光的泵浦下展现了显著的边发射激射特征,并且其激射阈值的平均激子占有数仅为0.021。这一数值与之前的面发射激光器实验结果接近,但均与一系列直接带隙量子点的对应数值存在显著差异,提示其中存在不同的物理机制。
3 研究创新点2
基于瞬态光谱手段的硅纳米晶激射过程分析
图3 (a)硅纳米晶中的发光过程与(b-d)表面STE态在激射过程中参与形式分析,(e)不显著的俄歇复合
使用瞬态光谱表征,研究团队分析了硅纳米晶界面激子自陷态(STE)与间接带隙辐射复合的相互关系,发现在该充分氢钝化的硅纳米晶系统中,界面激子自陷态能级扮演激子的亚稳态蓄水池作用。它能快速俘获光生热电子,并在皮秒级时间尺度后,将所俘获电子释放回到硅纳米晶,使其参与辐射复合。这一亚稳态的影响体现为:1)产生短时间的电子-空穴分离,抑制纳米晶中空间限域产生的高俄歇复合;2)使充分钝化的硅纳米晶系统成为多能级增益体系,能够在较低的平均激子占有数时达成粒子数反转条件。
3 研究创新点3量子点体系四能级速率方程对模型的验证图4 (a-c)MATLAB数值模拟结果、(d-f)推论及模型初步实验验证为了验证这一模型,研究团队针对硅纳米晶材料体系修正了传统的四能级速率方程并进行了数值模拟。数值模拟计算结果不仅与激射阈值的实验数据相符,同时还能较好地复现瞬态吸收实验数据。模型所预测的与激子自陷态电子释放速率相关的泵浦通量-功率转变特征也通过纳秒脉冲激光泵浦实验进行了初步验证。4 总结与展望

硅基光子集成技术在III-V族异质键合激光器的推动下已经取得了很大进展,充分利用硅基CMOS工艺大规模制备的单片集成方案则由于其更优的经济效益而持续地驱使研究者进行探索。硅纳米晶DFB激光器的实现及相关动力过程的分析不仅进一步明确了高增益硅纳米晶实现受激辐射的物理图像,更为策略性地进行能级工程降低激射阈值,实现连续光泵浦甚至电泵浦的硅纳米晶激光提供了指导,为使用硅基材料突破单片集成光源瓶颈问题提供了新思路。

论文第一作者为复旦大学电光源研究所博士研究生曾盼和王飞龙,张树宇副研究员和陆明教授为共同通讯作者。该工作得到上海市科委 “科技创新行动计划”基础研究领域项目资助。论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.0c01846
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