II-VI族微纳材料中超快、宽频激射光谱特性及调控研究

The research of Micro/nanolasers, based on semiconductors or semiconductor-metal hybridized structures, have become one of the hotspots in nanophotonics. Nanolasers with diverse functionalities will provide key elements for chip-based photonic integrated system. In previous reports, Most of them just focused on the small volume, low-threshold or multi-colors of nanolasers, some new properties, such as ultrafast, broad spectral width, are rarely investigated. In this project, we choose group II-VI semiconductor micro/nanomaterials (CdS nanostructures as one of typical samples) as test-beds, the properties of ultrafast and broad spectral width of micro/nanolasers driven by gain-switching effect in self-constructed microcavities, and their underlying fundamental mechanism, will be comprehensively studied. The evolving of spectral linewidth of nanolaser as excitation power density, the size or geometry of microcavities, temperature and strain will be demonstrated and clarified in mechanism. We will reveal the ultrafast dynamics of carriers and coherent light in time domain, and develop a reasonable theory model for ultrafast and broadband micro/nanolasers. Furthermore, we expand our study to some other group II-VI nanostructures, the behavior and controllability of the gain-switch effect based ultrafast, broad spectral width lasers in different micro/nanostructures will be further explored. This will help us to get better nanostructures for nanolasers and to develop new practical devices.

基于半导体或半导体-金属复合结构的微纳激光是目前微纳光子学领域研究的热点之一，多样的微纳相干光源将为芯片基光子器件集成系统提供核心元件。以往的研究过多地集中在微纳激光的小模体积、低阈值及多色等特性上，而对超快、宽光谱等一些新奇特性知之甚少。为此，该课题将以CdS为代表的II-VI族半导体微纳结构为研究载体，全面细致地开展纳米带、纳米线等自构型微腔结构中基于增益开关效应的超快、宽频激射的光谱特性及相关物理机制研究。澄清半导体/半导体-等离子体复合微纳结构中激射的光谱线宽随激发功率密度、微腔尺寸或构型、温度、应力等因素变化的规律；揭示激射状态下的载流子动力学及时间域相干光场的新奇特性；构建合理的理论模型，澄清其基本的物理机制。进而扩展到其他II-VI族微纳材料中，探讨基于增益开关效应的超快、宽谱激射在不同微纳材料体系中行为特性及可控性，藉此获得性能更加优良的微纳构型体系及发展相关实用型器件。

芯片基光子器件的构建、制备和优化是目前微纳光子学前沿领域的重要课题之一，这其中纳米光源的制备及其特性研究获得科研人员的特别重视。一直以来，研究人员致力于纳米激光的单模性、小模体积以及可调谐性等，近两年，随着该领域研究的进一步深入，人们认识到纳米级宽频激光源是实现某些特定功能不可或缺的信息载体发生器，在微纳光子芯片构建中具有极大的应用前景。为此，本项目以CdS为代表的半导体微纳结构为研究载体，根据申请书的要求，我们逐项开展了微纳结构宽谱激射及其超快特性的研究，具体成果有：（1）在亚微米纳米带样品中实现了基于增益开关效应的宽谱激射，其谱宽范围达100meV，这比传统的已报道激射谱宽高两个数量级。并发现新奇的Fano型光谱特征，其物理机制来源于光-载流子的相干耦合效应。（2）利用应变实现了单模激射，应变引起的能带隙分布以及形变诱发光的空间限制导致了单模发射；进而提出了由应变工程控制的室温下激子极化激元的激射并清晰地观察到了激射峰的能量移动。微腔耦合应变工程为研究微结构中的光-物质相互作用提供了新平台；另外首次获得弯曲 CdS 纳米线的光波导特性，得到荧光光谱的红移量与光传播强度损失密切相关的结论，我们得到波导损耗的距离依赖性可以用指数函数描述，其传播损耗系数 β~0.021 μm-1。（3）时间分辨结果量化了单个纳米尺寸结构中载流子的表面相关的动力学，这有利于设计高效纳米结构光电子器件。（4）系统开展了钙钛矿球状微腔高质量单模激光发射研究，在单个球状微腔中实现了高品质、高单色性、低阈值单模激光输出；通过双光子吸收（TPA）效应实现了上转换微/纳米激光器；在微立方腔中实现了三维光场限制，室温下成功地实现了单模激光。（5）首次论证了全无机钙钛矿纳米球中由亚稳态缺陷诱导表面载流子捕获效应引起的荧光闪烁。这些结果对于理解钙钛矿材料的荧光闪烁机理和开发具有良好荧光稳定性的光学器件会有很好的帮助。