7/9/2008,本期JLT有個(gè)關(guān)于納米光電子器件及其應(yīng)用的�？�，目的是聚焦于當(dāng)前廣受關(guān)注的納米光子加工，及其典型技術(shù)，對(duì)當(dāng)前技術(shù)趨勢(shì)給予概括性的總結(jié)和展望。首先需要對(duì)納米光電子器件的概念做一個(gè)解釋。納米光電器件并不是說器件大小只有納米尺度，而是說器件的最小基元或主要采用工藝是納米尺度的。比如無(wú)源波導(dǎo)器件，傳統(tǒng)的硅基二氧化硅波導(dǎo)是微米尺度的，波導(dǎo)寬度大約5或6微米。而現(xiàn)在廣泛研究的硅納米線技術(shù)或表面等離子波導(dǎo)則是納米尺度的，波導(dǎo)寬度大概為200多納米左右。而廣泛研究的光子晶體，其單個(gè)周期元也是納米尺度的�，F(xiàn)在半導(dǎo)體激光器中常用的量子點(diǎn)、量子阱、量子線等都是典型納米尺度的加工。
一、半導(dǎo)體激光器中的納米技術(shù)：
    傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器（包括三五族材料和硅材料）其固有結(jié)構(gòu)缺陷都限制了器件獲得優(yōu)越的綜合性能。例如廣受關(guān)注的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），通�；�于三五族材料制作，其橫截面直徑小于4微米，以保證器件以單橫模輸出。但小的橫截面通常使得器件阻抗較大，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)大的調(diào)制帶寬，也很難實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制。但如果增加器件的截面尺寸，則不可避免的產(chǎn)生高階橫模，工作噪聲變大，同時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角也增大了。本期�？�有一篇特邀論文來(lái)自臺(tái)灣交通大學(xué)，作者展示了如何利用納米加工技術(shù)來(lái)解決上述矛盾，制作高品質(zhì)的VCSEL。作者這里結(jié)合使用了二維光子晶體技術(shù)和量子點(diǎn)技術(shù)。當(dāng)采用較大截面時(shí)，在激光器表面制作二維光子晶體結(jié)構(gòu)可以有效抑制高階橫模的產(chǎn)生，在實(shí)現(xiàn)大截面輸出的同時(shí)，維持了單模發(fā)射。而采用二維光子晶體后，器件的域值電流明顯增大，因此作者在有源區(qū)域制作了三層單量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，既降低了域值電流，也貢獻(xiàn)了非常窄的增益譜。在制作量子點(diǎn)層時(shí)，作者依靠交替沉積InAS和GaAs實(shí)現(xiàn)。作者同時(shí)制作了980nm和1300nm兩個(gè)波段的改進(jìn)VCSEL激光器。兩類激光器都具有非常好的單模工作特性，其單模抑制比達(dá)到35dB，且最大輸出功率也高達(dá)5.7mW。
    一篇來(lái)自清華大學(xué)的研究，報(bào)導(dǎo)了對(duì)AlGaInAs多量子阱電吸收調(diào)制器的制作與封裝。該器件主要應(yīng)用于40Gb/s的短接入距離的高速光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。通常多量子阱激光器以InGaAsP材料最為常見，這里作者使用AlGaInAs，其一是因?yàn)樵摬牧夏芴峁┹^大的導(dǎo)帶不連續(xù)性，能讓激光器未冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)，其二是因?yàn)樵摬牧夏軌蚪档桶雽?dǎo)體結(jié)構(gòu)的價(jià)帶不連續(xù)性，緩解電吸收調(diào)制器的孔洞堆積效應(yīng)，進(jìn)而提供更高的光飽和強(qiáng)度。這里作者器件制作采用的是同一外延層集成技術(shù)，靠自組織平面技術(shù)降低電吸收調(diào)制器的電容，使得調(diào)制器能實(shí)現(xiàn)40GHz的小信號(hào)調(diào)制帶寬。
    來(lái)自德國(guó)的一篇特邀論文則系統(tǒng)總結(jié)探討了制作量子點(diǎn)和量子線激光器的自組織技術(shù)。依靠不同材料的納米結(jié)構(gòu)自組織生長(zhǎng)，能夠制作出不同波段，不同應(yīng)用的量子半導(dǎo)體器件。例如基于GaN–AlGaN材料的自組織量子點(diǎn)，能夠有效避免缺陷帶來(lái)的非輻射泄露損耗，因此非常適合制作紫外及可見光波段的光發(fā)射器。而InGaAsAs–GaAs材料的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)則非常適合于制作高功率的紅外連續(xù)波段激光器。而基于InP基底的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)則能有效用于光通訊低串?dāng)_、偏振不敏感的光放大以及信號(hào)再生應(yīng)用。作者針對(duì)不同材料詳細(xì)分析和比較了量子點(diǎn)、量子線的自組織生長(zhǎng)工藝，特別是對(duì)物理本質(zhì)做了探討。作者指出自組織生長(zhǎng)的量子點(diǎn)技術(shù)始于1993年，在過去的14年里，研究密度呈現(xiàn)30%的增長(zhǎng)率，這樣的關(guān)注度在半導(dǎo)體領(lǐng)域是罕見的，相信該技術(shù)將在下一代微納米光電器件中將扮演越來(lái)越重要的角色。
    對(duì)高調(diào)制速率的半導(dǎo)體激光器和放大器，脈沖展寬因子（α因子）是一個(gè)非常重要的性能參數(shù)。對(duì)激光器，低α因子能夠提供高比特率發(fā)射，對(duì)放大器，低α因子則能有效抑制信號(hào)啁啾和非線性影響。本期一篇來(lái)自加拿大的特邀論文，作者通過在半導(dǎo)體激光器和放大器中引入不同維度的量子結(jié)構(gòu)，來(lái)改善α因子。作者主要利用了絕熱載體再生、熱載體加熱和雙光子吸收動(dòng)態(tài)處理等工藝來(lái)制作量子化的有源層。在光通訊應(yīng)用的1.55μm波段分別制作了InAs/InGaAsP/InP的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)、InAs/InAlGaAs/InP的量子線結(jié)構(gòu)和InGaAsP/InGaAsP/InP的量子阱結(jié)構(gòu)。作者證明量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)最有利于獲得低α因子。
    此外，臺(tái)灣交通大學(xué)的研究者在GaN激光器中引入了自組織的Ni納米層，將發(fā)光效率提升了55%左右。其自組織生長(zhǎng)過程是通過熱退火，形成Ni團(tuán)簇的自組織，進(jìn)而形成納米桿和納米層。臺(tái)灣大學(xué)的研究者在金屬－氧化物－半導(dǎo)體LED（MOSLED）的氧化物膜層內(nèi)制作了一些硅納米柱，改進(jìn)了發(fā)光效率，實(shí)現(xiàn)了微瓦的光發(fā)射。要獲得這些硅納米柱，作者首先在硅基底上利用自聚合效應(yīng)制作了一些Ni納米點(diǎn)做掩膜，然后通過快速烘干，便形成了掩埋型的納米柱晶體。
二、基于光子晶體的光電器件：
    談到納米光電器件，光子晶體必然是一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。依靠某些納米尺度的周期性元堆疊成的光材料，能夠象半導(dǎo)體材料那樣，具有導(dǎo)帶、價(jià)帶和禁帶。讓某些波段光全通，而某些波段光全禁，變成“光的半導(dǎo)體”。此次納米光電子�？�，光子晶體仍是一個(gè)內(nèi)容最多的專題。特別的基于光子晶體的某些特別應(yīng)用得到廣泛關(guān)注，這體現(xiàn)了該領(lǐng)域近年來(lái)的研究熱點(diǎn)：
1．光子晶體微腔：
    在光子晶體中，當(dāng)對(duì)一個(gè)較大波段的光禁止時(shí)，如果在某些局部區(qū)域引入缺陷，則光只能在這些缺陷區(qū)域存在，當(dāng)這個(gè)缺陷是一個(gè)微腔時(shí)，光便被局域在一個(gè)非常小的區(qū)域。例如這個(gè)微腔只有一立方波長(zhǎng)時(shí)，可以獲得非常高的Q因子。已有實(shí)驗(yàn)報(bào)導(dǎo)，利用光子晶體微腔，實(shí)驗(yàn)獲得了2000,000的高Q參數(shù)。此次�？�一篇來(lái)自日本京都大學(xué)的論文則對(duì)光子晶體微納米腔的設(shè)計(jì)制作做了研究。作者提供一種解析的設(shè)計(jì)方法，讓光在微腔內(nèi)電磁場(chǎng)呈高斯分布，從而抑制了能量泄露，讓Q參數(shù)提高到了109。這樣的高Q因子腔適用于包括慢光在內(nèi)的光存儲(chǔ)應(yīng)用。
    此外，NTT的研究者發(fā)現(xiàn)在半導(dǎo)體微腔內(nèi)存在載流子擴(kuò)散效應(yīng)，利用該效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)高速光交換操作，比起通常利用平面波導(dǎo)非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的光交換，其信號(hào)恢復(fù)時(shí)間可以高達(dá)100ps左右；而清華大學(xué)的研究者也對(duì)光子晶體中的微腔結(jié)構(gòu)做了理論分析和模擬，設(shè)計(jì)了具有高光增益譜和模斑特性的結(jié)構(gòu)。
2．孔洞波導(dǎo)：
    孔洞光子晶體和微腔一樣，都是靠在光子晶體中間形成缺陷后，讓光在缺陷中傳輸，但微腔是一個(gè)相對(duì)封閉的區(qū)域，用于局域化能量，而孔洞波導(dǎo)則是讓光在波導(dǎo)中傳輸，孔洞缺陷（通常是空氣）作為導(dǎo)光的載體。東京技術(shù)研究院的研究者設(shè)計(jì)制作了三維的孔洞波導(dǎo)，其光子晶體部分是靠介質(zhì)和半導(dǎo)體層交替生長(zhǎng)得到的�？�?jī)?yōu)化空氣缺陷結(jié)構(gòu)，作者制作了傳輸損耗非常低的波導(dǎo)，同時(shí)該波導(dǎo)還具有偏振和溫度不敏感的優(yōu)勢(shì)，適合作為密集波分復(fù)用的光載體使用。
三、納米波導(dǎo)與納米顆粒：
    納米波導(dǎo)是指波導(dǎo)橫截面尺寸為幾個(gè)到幾百個(gè)納米的波導(dǎo)。目前研究廣泛的納米波導(dǎo)有硅納米線和表面等離子波導(dǎo)兩種。此次專刊關(guān)于前者的涉及很少，因此主要看一些關(guān)于表面等離子波導(dǎo)的相關(guān)報(bào)導(dǎo)：
    表面等離子波導(dǎo)就是利用光在金屬和介質(zhì)界面可以以表面波方式傳輸而形成的一種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。由于該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)大的等效折射率，因此可以讓光容易聚焦在一個(gè)非常窄的區(qū)域，達(dá)到很高的能量密度。但是由于金屬材料固有的損耗特性，使得該波導(dǎo)具有很大的傳輸損耗，因此很難做出高品質(zhì)的光電器件。本期一篇特邀論文來(lái)自韓國(guó)研究者，作者使用聚合物材料作介質(zhì)，在其中插入一條非常薄的金片。當(dāng)金片厚度達(dá)到14nm，寬度達(dá)到2μm時(shí)，傳輸損耗僅為1.4dB/cm。這已經(jīng)算是一個(gè)可以接受的數(shù)值了。當(dāng)讓金片厚度14nm，寬度7.5 μm時(shí)，作者實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖僅0.1dB的低耦合損耗。作者證明這樣的表面等離子波導(dǎo)非常適合10Gb/s的光電應(yīng)用，在保持良好光電特性的同時(shí)，能讓器件尺寸降低一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
    此外，來(lái)自韓國(guó)的另一項(xiàng)研究在傳統(tǒng)表面等離子波成像系統(tǒng)中引入了納米線結(jié)構(gòu)，將探測(cè)靈敏度提升了3.44倍。
    除了納米波導(dǎo)，納米顆粒也是很重要的一種結(jié)構(gòu)，多個(gè)或單個(gè)納米顆粒具有某些獨(dú)特的光學(xué)品質(zhì)，在傳感等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。專刊里有一篇來(lái)自中山大學(xué)的研究，作者通過飛秒激光器切割技術(shù)，在ZnSe材料表面制作了許多納米顆粒，這種有納米顆粒的表面改進(jìn)了材料的太赫茲發(fā)射特性，可以將太赫茲發(fā)射功率提高近兩倍。