理工學(xué)院張昭宇教授團(tuán)隊(duì)在硅基光芯片領(lǐng)域取得重要研究成果
? ? ? ? 近日，香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院張昭宇教授課題組在硅基光芯片領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)了可與微電子單片集成的硅基三五族微納光子晶體激光器。相關(guān)成果以“Continuous-wave quantum dot photonic crystal lasers grown on on-axis Si (001)”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。
圖1. 硅基量子點(diǎn)光子晶體激光器示意圖
? ? ? ? 近年來(lái)在光通信、光互連巨大需求的推動(dòng)下，硅基光電子集成技術(shù)蓬勃發(fā)展。激光器是光芯片的核心部件，其調(diào)制速率、集成密度、功耗等直接決定硅光芯片的性能及發(fā)展。基于硅材料的光電元件，如硅波導(dǎo)、硅調(diào)制器、硅探測(cè)器等已比較成熟，但硅基激光器一直沒(méi)有很大進(jìn)展。究其原因，硅是間接帶隙半導(dǎo)體，不適合作為激光器的發(fā)光材料。而諸如GaN、GaAs、InP等的傳統(tǒng)三五族材料為直接帶隙半導(dǎo)體，是目前最有效的半導(dǎo)體激光器發(fā)光材料。因此，近20年，國(guó)際上包括來(lái)自法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）、美國(guó)因特爾（Intel）和加州大學(xué)圣巴巴拉分校（UCSB）、日本電報(bào)電話(huà)電話(huà)（NTT）、香港科技大學(xué)（HKUST）在內(nèi)的多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)投入大量的財(cái)力物力，嘗試在硅上直接生長(zhǎng)三五族材料，其目標(biāo)是在硅基三五族上制成激光器并最終與CMOS工藝對(duì)接，實(shí)現(xiàn)光電子與微電子的大規(guī)模單片集成，從而大大提升光通信器件的功能，同時(shí)減低成本。以上各團(tuán)隊(duì)已分別實(shí)現(xiàn)了不同硅襯底上的大尺度激光器，但是在CMOS工藝兼容的（001）硅襯底上還未實(shí)現(xiàn)過(guò)微納光子晶體激光器，而光子晶體結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是未來(lái)光集成的一種重要組成結(jié)構(gòu)。
? ? ? ? 香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院張昭宇教授課題組與合作團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)硅基量子點(diǎn)光子晶體激光器外延結(jié)構(gòu)，采用分子束外延方式在硅襯底上直接生長(zhǎng)高質(zhì)量的InAs量子點(diǎn)作為激光器增益介質(zhì)（發(fā)光材料），依托深圳市半導(dǎo)體激光器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，成功制備了亞波長(zhǎng)尺寸的超低閾值硅基光泵浦光子晶體激光器芯片。該激光器實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)光泵浦激射，并在1310 nm光通訊波段實(shí)現(xiàn)單模輸出（如圖2所示），在實(shí)現(xiàn)光電子與微電子的大規(guī)模單片集成上向前推進(jìn)一大步。
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圖2. 硅基量子點(diǎn)激光器器件表征圖
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? ? ? ? 這是張昭宇教授課題組在硅基光芯片研究領(lǐng)域，繼2019年首個(gè)室溫連續(xù)光泵浦低閾值硅基盤(pán)形激光器后，取得的又一個(gè)重要研究成果。此成果第一作者是香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院2016級(jí)博士研究生周陶杰，University College London（UCL）的唐明初博士為共同第一作者，香港中文大學(xué)（深圳）為第一作者單位，張昭宇教授、UCL的劉會(huì)赟教授和陳思銘教授為共同通訊作者。來(lái)自法國(guó)University Grenoble Alpes的Thierry Baron教授也參與此工作。
? ? ? ? 香港中文大學(xué)（深圳）成立于2014年，實(shí)驗(yàn)室的硬件建設(shè)也經(jīng)歷過(guò)“萬(wàn)事開(kāi)頭難”的階段，在從零開(kāi)始發(fā)展的過(guò)程中，張昭宇教授課題組得到了學(xué)界同行的大力支持。為此，張昭宇教授特別提到，“這些支持包括南方科技大學(xué)微納加工平臺(tái)的程鑫教授和瞿學(xué)選老師在器件制備上的幫助，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所孫寶權(quán)教授和中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院楊春雷教授在光譜表征方面的大力協(xié)助。”
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第一作者介紹
? ? ? ? 周陶杰，本科畢業(yè)于南開(kāi)大學(xué)物理學(xué)院伯苓班，現(xiàn)于香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院攻讀博士學(xué)位，在張昭宇教授課題組從事半導(dǎo)體微納激光器研究。相關(guān)研究成果在Nature communications、Optica、Optics Express、Applied Physics Letters、AIP Advances等期刊均有發(fā)表。
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張昭宇教授及課題組介紹
? ? ? ? 張昭宇教授， 2007年獲加州理工學(xué)院電子工程博士學(xué)位，畢業(yè)后在加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)系從事博士后研究，同時(shí)受聘于勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。2015年，他入職香港中文大學(xué)（深圳）成立納米光電子實(shí)驗(yàn)室“Nano OptoElectronics Lab (NOEL)”。2016年，張昭宇教授作為負(fù)責(zé)人獲得深圳半導(dǎo)體激光器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目支持并任實(shí)驗(yàn)室主任。他主要的工作成績(jī)包括：制成第一個(gè)紅光光子晶體激光器、第一個(gè)尺寸小于一微米的激光器、第一個(gè)微流控染料激光器、第一個(gè)光泵浦可單片集成硅基光子晶體激光器等。在Nature Communications, Advanced Materials, Physics Review Letters, Optica, Photonics research, Optics Letters, Applied Physics Letters等國(guó)際刊物發(fā)表多篇文章。
? ? ? ? 納米光電子實(shí)驗(yàn)室著眼于5-10年可產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，培養(yǎng)未來(lái)產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)人才。課題組的科研方向主要為面向未來(lái)光通信和激光人臉識(shí)別的微納激光器件及光電集成，面向未來(lái)顯示和照明的有機(jī)/無(wú)機(jī)光電器件及集成。課題組光電器件加工與測(cè)試分析等設(shè)備已初具規(guī)模，包括電感耦合等離子體刻蝕機(jī)、蒸鍍機(jī)、飛秒激光器、皮秒激光器、納秒激光器、條紋相機(jī)、低溫冷臺(tái)、各波段光譜儀、半導(dǎo)體參數(shù)分析儀、積分球等。
? ? ? ? 詳細(xì)介紹請(qǐng)查看課題組主頁(yè)：https://mypage.cuhk.edu.cn/academics/noel/
