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    理工學院張昭宇教授團隊在硅基光芯片領域取得重要研究成果

    • 2020.04.13
    • 新聞
    近日,香港中文大學(深圳)理工學院張昭宇教授課題組在硅基光芯片領域取得重要研究進展,首次實現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。相關成果以“Continuous-wave quantum dot photonic crystal lasers grown on on-axis Si (001)”為題發表在《Nature Communications》上。

    ? ? ? ? 近日,香港中文大學(深圳)理工學院張昭宇教授課題組在硅基光芯片領域取得重要研究進展,首次實現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。相關成果以“Continuous-wave quantum dot photonic crystal lasers grown on on-axis Si (001)”為題發表在《Nature Communications》上。

    圖1. 硅基量子點光子晶體激光器示意圖

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    ? ? ? ? 近年來在光通信、光互連巨大需求的推動下,硅基光電子集成技術蓬勃發展。激光器是光芯片的核心部件,其調制速率、集成密度、功耗等直接決定硅光芯片的性能及發展。基于硅材料的光電元件,如硅波導、硅調制器、硅探測器等已比較成熟,但硅基激光器一直沒有很大進展。究其原因,硅是間接帶隙半導體,不適合作為激光器的發光材料。而諸如GaN、GaAs、InP等的傳統三五族材料為直接帶隙半導體,是目前最有效的半導體激光器發光材料。因此,近20年,國際上包括來自法國國家科學研究中心(CNRS)、美國因特爾(Intel)和加州大學圣巴巴拉分校(UCSB)、日本電報電話電話(NTT)、香港科技大學(HKUST)在內的多個科研團隊投入大量的財力物力,嘗試在硅上直接生長三五族材料,其目標是在硅基三五族上制成激光器并最終與CMOS工藝對接,實現光電子與微電子的大規模單片集成,從而大大提升光通信器件的功能,同時減低成本。以上各團隊已分別實現了不同硅襯底上的大尺度激光器,但是在CMOS工藝兼容的(001)硅襯底上還未實現過微納光子晶體激光器,而光子晶體結構被認為是未來光集成的一種重要組成結構。

    ? ? ? ? 香港中文大學(深圳)理工學院張昭宇教授課題組與合作團隊通過設計硅基量子點光子晶體激光器外延結構,采用分子束外延方式在硅襯底上直接生長高質量的InAs量子點作為激光器增益介質(發光材料),依托深圳市半導體激光器重點實驗室平臺,成功制備了亞波長尺寸的超低閾值硅基光泵浦光子晶體激光器芯片。該激光器實現了室溫連續光泵浦激射,并在1310 nm光通訊波段實現單模輸出(如圖2所示),在實現光電子與微電子的大規模單片集成上向前推進一大步。

    圖2. 硅基量子點激光器器件表征圖

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    ? ? ? ? 這是張昭宇教授課題組在硅基光芯片研究領域,繼2019年首個室溫連續光泵浦低閾值硅基盤形激光器后,取得的又一個重要研究成果。此成果第一作者是香港中文大學(深圳)理工學院2016級博士研究生周陶杰,University College London(UCL)的唐明初博士為共同第一作者,香港中文大學(深圳)為第一作者單位,張昭宇教授、UCL的劉會赟教授和陳思銘教授為共同通訊作者。來自法國University Grenoble Alpes的Thierry Baron教授也參與此工作。

    ? ? ? ? 香港中文大學(深圳)成立于2014年,實驗室的硬件建設也經歷過“萬事開頭難”的階段,在從零開始發展的過程中,張昭宇教授課題組得到了學界同行的大力支持。為此,張昭宇教授特別提到,“這些支持包括南方科技大學微納加工平臺的程鑫教授和瞿學選老師在器件制備上的幫助,中國科學院半導體研究所孫寶權教授和中國科學院深圳先進技術研究院楊春雷教授在光譜表征方面的大力協助。”

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    第一作者介紹

    ? ? ? ? 周陶杰,本科畢業于南開大學物理學院伯苓班,現于香港中文大學(深圳)理工學院攻讀博士學位,在張昭宇教授課題組從事半導體微納激光器研究。相關研究成果在Nature communications、Optica、Optics Express、Applied Physics Letters、AIP Advances等期刊均有發表。

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    張昭宇教授及課題組介紹

    ? ? ? ? 張昭宇教授, 2007年獲加州理工學院電子工程博士學位,畢業后在加州大學伯克利分校化學系從事博士后研究,同時受聘于勞倫斯伯克利國家實驗室。2015年,他入職香港中文大學(深圳)成立納米光電子實驗室“Nano OptoElectronics Lab (NOEL)”。2016年,張昭宇教授作為負責人獲得深圳半導體激光器重點實驗室項目支持并任實驗室主任。他主要的工作成績包括:制成第一個紅光光子晶體激光器、第一個尺寸小于一微米的激光器、第一個微流控染料激光器、第一個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等國際刊物發表多篇文章。

    ? ? ? ? 納米光電子實驗室著眼于5-10年可產業化的應用基礎研究,培養未來產業的核心技術人才。課題組的科研方向主要為面向未來光通信和激光人臉識別的微納激光器件及光電集成,面向未來顯示和照明的有機/無機光電器件及集成。課題組光電器件加工與測試分析等設備已初具規模,包括電感耦合等離子體刻蝕機、蒸鍍機、飛秒激光器、皮秒激光器、納秒激光器、條紋相機、低溫冷臺、各波段光譜儀、半導體參數分析儀、積分球等。

    ? ? ? ? 詳細介紹請查看課題組主頁:https://mypage.cuhk.edu.cn/academics/noel/

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