清华大学首次在铒化合物纳米线上实现超高光学增益

纳米尺度上的激光器和光放大器是未来芯片上光电集成的核心器件，对未来超级计算机和“片上数据中心”等信息科学与技术至关重要。特别是如果能将这些纳米级器件做在硅基衬底上，将引领片上光互连的革命性发展，因而成为近几十年来国际学术界和科技产业界共同关注的焦点之一。

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）