同心环芯微腔中纳米硅量子点光发射特性研究

本项目针对硅光子互联芯片中缺乏高效硅基有源激光发射器这一瓶颈问题，提出一种高品质的纳米硅同心环芯微腔的结构设计。该微腔结构将纳米硅发光区域与高品质的环芯结构分离，可以减少谐振过程中的自由载流子吸收，实现纳米硅的高效光发射。本项目拟采用有限时域差分方法进行结构的模拟设计与优化；利用多种微加工手段以及二氧化碳激光烧熔工艺，制备同心环芯耦合的纳米硅微盘微腔结构，并实现其品质因子达到或大于十的六次方。通过微区光谱分析与理论分析，研究同心环芯结构的模式体积、品质因子和模式分布，以及纳米硅量子点的尺寸、密度、位置对于器件性能的影响。根据激光理论及腔量子电动力学等，建立纳米硅在同心环芯微腔中光发射的理论模型，探索纳米硅量子点在这一结构中实现激光发射所需要的条件，为下一步研究打下基础。

本项目旨在通过纳米硅光发射特性的深入研究，并结合以及同心环芯微盘微腔的研究，探索一条实现基于纳米硅量子点光发射的硅基激光器的道路，并研究其中的科学原理和技术方案。项目的实施过程分为两个阶段，第一阶段重点在于研究分析纳米硅光发射特性以及相关的精细能级结构；第二阶段重点在于制备微型环芯硅基微盘微腔结构，并研究其中腔模式特性。. 在第一阶段中，本项目组制备了一系列不同纳米硅尺寸以及不同硅含量的富硅氧化硅薄膜样品，通过光致荧光谱、透射电子显微镜分析等手段，发现了前人一直存在争论的量子尺寸限制发光和缺陷态发光两种纳米硅发光机制的转折点条件，即通过纳米硅尺寸和密度的控制得到一个临界点尺寸条件，大于该尺寸时，量子尺寸限制作用在纳米硅的发光中起主导作用，而在小于此尺寸时，缺陷态发光机制在纳米硅的发光中起主导作用。与此同时，在光致荧光谱的分析过程中，本项目组还验证了在高密度的纳米硅样品中，存在着光子的能量转移特性。应用纳米硅作为硅基激光器的增益介质一直存在的巨大争议，本项目纳米硅光发射机制转折点特性和能量转移特性的发现，对于纳米硅基激光器的研究具有重要的理论价值。通过本项目的实施，我们建立了一套完整的纳米硅发光能级的理论体系，但是这种能级系统也是非常复杂，不够清晰的，目前国际上还没有报道能够重复实现一个适用于激光发射的纳米硅能级系统。. 在第二阶段中，本项目组通过搭建CO2激光烧熔系统，并结合微纳米加工手段，制备了氧化硅微型环芯微盘微腔样品；同时自主搭建了一整套光纤锥近场耦合测试系统。通过工艺条件的优化，成功实现了高品质的微型环芯微腔样品的制备和测量，品质因子可以达到10的8次方，与目前国际上报道的数据相当。在此基础上，项目组还制备了纳米硅-氧化硅同心环芯微盘微腔结构，其中的光传输品质因子也可以达到10的6次方以上，但是由于没有形成增益效果，且耦合到微型环芯中的光子数量太少，因此无法实现光纤耦合出射。因此，通过本项目的实施，我们可以得出结论，纳米硅的增益特性是决定其激光发射的关键，光学微腔的高品质因子只能起到辅助作用。. 本项目的成果已发表在应用物理快报等SCI论文及专利。