單根寬范圍波長可調(diào)半導體納米線激光器研究項目摘要

納米級激光器在分子級別精密測量、拍字節(jié)海量存儲、DNA和RNA直接測序等方面具有廣泛而重要的應用前景，是納米光子學研究的重點和熱點。半導體納米線具有增益介質(zhì)、諧振腔和光波導等多種功能，是理想的納米級激光器材料。波長/頻率的調(diào)節(jié)對激光器在光譜測量、光通信、軍事和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的應用非常重要。我們研究單根寬范圍波長可調(diào)半導體納米線激光器。引入移動源和移動襯底的方法制備寬帶隙調(diào)控半導體納米線；深入研究波長變化物理機理，提出新型波長調(diào)控方法，在單根半導體納米線上實現(xiàn)寬范圍波長連續(xù)調(diào)節(jié)；并通過設(shè)計和加工微納結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)波長精密調(diào)控。同時研究半導體納米線激光器的閾值、模式和偏振等參數(shù)的調(diào)控。我們的研究對于發(fā)現(xiàn)納米級光與物質(zhì)相互作用新效應和新機理具有重要意義，將推動半導體納米線激光器及微納光子器件在光電集成、通信、信息存儲、生物和醫(yī)學等領(lǐng)域的廣泛應用。

微納光源是微納光子芯片的核心部件，是其小型化和集成化的最大挑戰(zhàn)，是納米光子學研究的重點和熱點。微納光源為超小型低成本光子芯片、納米分辨成像技術(shù)及單光子源提供新方案。本項目以單根寬范圍波長可調(diào)半導體納米線激光器為中心，主要研究了如下內(nèi)容：1）寬帶隙調(diào)控半導體納米線制備；2）寬帶隙調(diào)控半導體納米線結(jié)構(gòu)和光學性能研究；3）單根寬范圍波長可調(diào)半導體納米線激光器研制和波長調(diào)控機理研究；4）波長可調(diào)半導體納米線激光器的性能優(yōu)化、初步應用和封裝研究。 取得的重要創(chuàng)新成果、關(guān)鍵數(shù)據(jù)及科學意義：1）發(fā)展了一種移動源的漸變帶隙納米線的制備方法，制備了多種成分漸變的硫硒化鎘納米結(jié)構(gòu)，并通過統(tǒng)計建模，優(yōu)化生長條件，實現(xiàn)了高產(chǎn)率生長；2）研制了一種單根寬范圍波長可調(diào)半導體納米線激光器，調(diào)節(jié)范圍達到119 nm，覆蓋紅光到綠光，并實現(xiàn)單模輸出，是目前報道的波長調(diào)節(jié)范圍最寬的單根納米激光器；3）設(shè)計和實現(xiàn)了全光纖型的納米線激光波長可逆電調(diào)控，波長調(diào)諧范圍可達40 nm，調(diào)諧精度可達1.2 nm；4）對納米結(jié)構(gòu)激光器的偏振、模式特性進行了研究，設(shè)計并制備了石墨烯-納米帶復合結(jié)構(gòu)光源，實現(xiàn)了納米帶光源輸出光偏振態(tài)的控制；制備了一種橫向發(fā)光的硒化鎘納米帶激光器，成功實現(xiàn)了偏振度高達0.91、低閾值的單縱模納米帶激光出射，是目前已報道納米線/帶激光器中最高的偏振度；5）設(shè)計了一種金屬納米線-氮化鎵復合結(jié)構(gòu)肖特基結(jié)紫外LED，克服了傳統(tǒng)肖特基結(jié)LED金屬層吸收損耗嚴重的問題，實現(xiàn)了外量子效率達0.9%的紫外發(fā)光，是目前報道效率最高的肖特基結(jié)LED，在信息存儲、水凈化、醫(yī)用器械殺菌、紫外固化、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域具有廣泛且重要的應用前景； 6）提出了一種利用環(huán)形熒光納米線作為照明光源，實現(xiàn)二維遠場無標記、寬視場超分辨成像的方法，成功實現(xiàn)間距70 nm的亞波長結(jié)構(gòu)超分辨成像，視場達到上千平方微米，比已報道的視場大兩個數(shù)量級，并首次將此方法應用在生物樣品、微電子產(chǎn)品等實際樣品上。

本項目以新穎光切換網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)為應用方向，以單片集成的寬范圍可調(diào)諧半導體激光器為研究對象，將器件波長切換瞬態(tài)特性的物理研究與器件研制緊密結(jié)合、共同實施。通過擬建立的數(shù)學模型從理論上分析器件的靜態(tài)和動態(tài)特性，特別是切換瞬態(tài)的譜特性，揭示波長切換的物理機理，并用以輔助和指導實際研發(fā)中的器件設(shè)計和制備；通過實驗手段對研發(fā)的器件進行特性測試和分析，探索和印證器件實現(xiàn)快速、可靠波長切換的限制因素；為進一步開發(fā)出高性能的可調(diào)諧半導體激光器奠定先進的理論分析、實驗測試和器件制備的基礎(chǔ)。具有快速波長切換能力的寬范圍可調(diào)諧半導體激光器在下一代波分復用光網(wǎng)絡(luò)中光包交換、光突發(fā)交換、動態(tài)波長路由等方面有重要的應用價值。