清华大学首次在铒化合物纳米线上实现超高光学增益

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。