单根宽范围波长可调半导体纳米线激光器研究

Nanoscale lasers have been attracting growing interests because of its potential applications in molecular level precise detection, petabytes of storage, direct sequencing of biomolecules such as of DNA and RNA etc. Semiconductor nanowires (NWs) are promising for the realization of nanoscale lasers, owing to their multifunctional behaviors as gain media, resonance cavities and passive waveguides. Wavelength tunability of lasers is one of the most important parameters for practical applications such as optical communications, environmental monitoring, military and spectroscopy analysis etc. In this proposal, we focus on single wide-wavelength-tunable semicondcutor nanowire lasers. First of all, broad bandgap graded semiconductor nanowires are fabricated by source-moving associated with substrate-moving approach. New methods to achieve wide wavelength tunability will be proposed based on deep understanding the wavelength tuning physical mechanism. Then we will design and fabricate hybrid micro-/nanostructure to achieve precise wavelength tuning. Furthermore, we will investigate the controlling of other important parameters such as modes, threshold and polarization. Our study is important for investigating the new effects and new mechanism of interaction of light and matter. These studies on semiconductor nanowire lasers and micro/nano optical devices will have prospective applications in the integration of electronics and photonics, optical communication, information storage, biology and medical techniques etc.

纳米级激光器在分子级别精密测量、拍字节海量存储、DNA和RNA直接测序等方面具有广泛而重要的应用前景，是纳米光子学研究的重点和热点。半导体纳米线具有增益介质、谐振腔和光波导等多种功能，是理想的纳米级激光器材料。波长/频率的调节对激光器在光谱测量、光通信、军事和环境监测等领域的应用非常重要。我们研究单根宽范围波长可调半导体纳米线激光器。引入移动源和移动衬底的方法制备宽带隙调控半导体纳米线；深入研究波长变化物理机理，提出新型波长调控方法，在单根半导体纳米线上实现宽范围波长连续调节；并通过设计和加工微纳结构，实现波长精密调控。同时研究半导体纳米线激光器的阈值、模式和偏振等参数的调控。我们的研究对于发现纳米级光与物质相互作用新效应和新机理具有重要意义，将推动半导体纳米线激光器及微纳光子器件在光电集成、通信、信息存储、生物和医学等领域的广泛应用。

微纳光源是微纳光子芯片的核心部件，是其小型化和集成化的最大挑战，是纳米光子学研究的重点和热点。微纳光源为超小型低成本光子芯片、纳米分辨成像技术及单光子源提供新方案。本项目以单根宽范围波长可调半导体纳米线激光器为中心，主要研究了如下内容：1）宽带隙调控半导体纳米线制备；2）宽带隙调控半导体纳米线结构和光学性能研究；3）单根宽范围波长可调半导体纳米线激光器研制和波长调控机理研究；4）波长可调半导体纳米线激光器的性能优化、初步应用和封装研究。.取得的重要创新成果、关键数据及科学意义：1）发展了一种移动源的渐变带隙纳米线的制备方法，制备了多种成分渐变的硫硒化镉纳米结构，并通过统计建模，优化生长条件，实现了高产率生长；2）研制了一种单根宽范围波长可调半导体纳米线激光器，调节范围达到119 nm，覆盖红光到绿光，并实现单模输出，是目前报道的波长调节范围最宽的单根纳米激光器；3）设计和实现了全光纤型的纳米线激光波长可逆电调控，波长调谐范围可达40 nm，调谐精度可达1.2 nm；4）对纳米结构激光器的偏振、模式特性进行了研究，设计并制备了石墨烯-纳米带复合结构光源，实现了纳米带光源输出光偏振态的控制；制备了一种横向发光的硒化镉纳米带激光器，成功实现了偏振度高达0.91、低阈值的单纵模纳米带激光出射，是目前已报道纳米线/带激光器中最高的偏振度；5）设计了一种金属纳米线-氮化镓复合结构肖特基结紫外LED，克服了传统肖特基结LED金属层吸收损耗严重的问题，实现了外量子效率达0.9%的紫外发光，是目前报道效率最高的肖特基结LED，在信息存储、水净化、医用器械杀菌、紫外固化、医疗诊断等领域具有广泛且重要的应用前景； 6）提出了一种利用环形荧光纳米线作为照明光源，实现二维远场无标记、宽视场超分辨成像的方法，成功实现间距70 nm的亚波长结构超分辨成像，视场达到上千平方微米，比已报道的视场大两个数量级，并首次将此方法应用在生物样品、微电子产品等实际样品上。