發光的納米“積木”——膠質量子點激光器及片上集成

更新時間：2025-06-10

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一、背景介紹

光子器件和電子器件發展模式類似，都是從分立器件到微米集成然后到納米集成。集成光子回路是集成電子回路的類比，它能在片上完成光信息的產生、傳輸、處理和探測。其中，片上微納激光器可以為集成光子回路提供相干光源，產生光信息。同商用激光器一樣，微納激光器由增益材料、諧振腔和泵浦源三個部分組成。

膠質量子點是一種半導體納米晶體，被廣泛用作微納激光器的增益材料。基于納米尺寸（約2到20 nm）膠質量子點的可溶液處理的特點，膠質量子點可以作為發光的納米“積木"。這種納米“積木"通過自組裝的方式可密集堆積形成高折射率微納結構，形成波導、諧振腔等納米光子器件。

二、膠質量子點激光器

1、基于自組裝方法的膠質量子點微納激光器

膠質量子點可充當納米積木，采用簡單的無模板自組裝方法可制備諧振腔。例如，通過旋涂、滴涂或打印等方法得到致密堆積量子點，形成裂縫隨機反饋腔、法布里-珀羅腔、不規則的微片腔、咖啡環環形腔等微納結構，在光泵浦作用下，實現微納片上激光器。

但這類膠質量子點激光器一般存在兩種不足。一種是形狀和尺寸均不可控，導致激光模式和激光波長不可控。例如，德國埃爾朗根-紐倫堡大學Wolfgang Heiss教授課題組利用膠質量子點膜的起伏或者裂縫提供反饋實現了量子點隨機激光器，但是起伏、裂縫以及反饋路徑是隨機的，因此諧振腔的形狀和尺寸都不可控。另一種是諧振腔的形狀得到很好的控制，但是其尺寸不可控。這種情況也導致微納激光器的波長難以控制，比如膠質量子點的自組裝形成的法布里-珀羅激光器、微球激光器、微泡激光器、咖啡環微腔激光器等。

2、基于微納刻蝕方法的膠質量子點微納激光器

無模板的膠質量子點自組裝方法也可以結合自上而下(Top-Down)的微納刻蝕工藝（比如電子束刻蝕、反應離子束刻蝕等等），對自組裝的膠質量子點膜進行刻蝕，實現諧振腔結構的形狀、尺寸可控，從而獲得激光模式、波長、偏振、方向性可控的膠質量子點激光器。

例如，比利時根特大學Dries Van Thourhout教授課題組通過多次沉積和旋涂過程，制備氮化硅/膠質量子點/氮化硅三明治結構，然后采用反應離子束刻蝕該三明治結構得到膠質量子點/氮化硅微盤激光器。

此外，該課題組采用同樣的工藝，在氮化硅/膠質量子點/氮化硅三明治結構上加工分布反饋光柵，實現了膠質量子點分布反饋激光器。

雖然這個兩個工作實現了諧振腔的形狀和尺寸較精確的控制，但是加工過程步驟繁瑣，而且對膠質量子點造成了損傷(熒光強度下降80 %)。另外，采用電子束曝光、聚焦離子束刻蝕等一些常見的微納刻蝕方法刻蝕膠質量子點膜，也會造成量子點發光強度的衰減，進而影響膠質量子點激光器的性能。

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3、基于模板輔助方法的膠質量子點微納激光器

為了實現形狀、尺寸可控的微納激光器，并且避免對膠質量子點造成損傷，國內外研究者提出采用模板輔助的膠質量子點自組裝方式加工微納激光器。這種方式采用微納加工的方法先制備模板，然后采用打印或者滴涂的方法使膠質量子點在模板輔助下自組裝形成微納激光器。

例如，瑞士蘇黎世聯邦理工學院David J. Norris教授課題組先制備銀諧振腔，然后采用打印技術在諧振腔中打印膠質量子點條，實現了膠質量子點激光器。

此外，北京大學陳建軍課題組提出采用模板輔助填充法，在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)膜上采用電子束曝光獲得凹槽模板結構，然后將膠質量子點溶液滴到PMMA模板上。由于毛細作用，膠質量子點溶液會填充到PMMA凹槽中，待溶劑揮發后密集堆積形成固態結構。

由于膠質量子點的堆積是微納加工的最后一步，不需要后續的模板剝離操作，因此避免了加工過程對膠質量子點的影響。該課題組采用這種方法實現了膠質量子點微盤激光器和波導環形諧振腔激光器。

三、膠質量子點激光器的片上集成

在光子集成回路中，片上微納激光器發出的激光需要通過波導耦合到片上功能器件中，這種耦合是通過隱失場耦合實現的，而隱失場范圍只有百納米量級，因此精確控制微納激光器和波導的間距至關重要。間距太大，耦合弱；間距太小，微納激光器的損耗變大，影響激光性能。

比利時根特大學Dries Van Thourhout教授課題組實現了膠質量子點激光器和氮化硅波導的集成。但是加工過程較為繁瑣，且會對膠質量子點造成損傷。

而基于模板輔助的膠質量子點自組裝方法可以實現膠質量子點激光器和片上波導的無損、可控的集成。例如，北京大學陳建軍課題組基于電子束刻蝕的可控性和靈活性提出了模板輔助填充法，實現了膠質量子點激光器和多個功能器件的精確集成。

該課題組還開發了一種高精度的暗場光學成像定位技術(定位精度約20 nm)，結合模板輔助填充法，在實驗上實現了膠質量子點微盤激光器和銀納米線表面等離激元波導的精確耦合。這個工作對于實現高集成密度的光子-表面等離激元復合光子集成回路方面具有重大研究意義。

四、總結

在常見的膠質量子點微納激光器制備方法中，基于模板輔助的膠質量子點自組裝方法，既可以實現無損可控的膠質量子點激光器，又可以實現膠質量子點激光器和片上波導以及回路的確定性集成，對于實現集成光子回路具有重要的指導意義。

現代信息和集成光學的高速發展對于多功能化光學元件和集成密度的需求越來越高。因此，功能化的膠質量子點微納激光器和新的微納加工及集成工藝需要進一步研究。

以上介紹的膠質量子點微納激光器都是用脈沖光泵浦的，但電泵浦的膠質量子點微納激光器更切合實際應用，未來電泵浦方式的實現可結合材料、工藝和物理機制等多方面來研究。

參考文獻：中國光學期刊網

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