广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室

广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室在信息科学、微纳光子学领域开展工作，重点发展 4 个研究方向：（1）光电子材料、器件及集成光子芯片技术，（2）微纳光子材料与器件技术，（3）新型光通信、光传感与光传输技术，（4）新型光纤、激光器与激光加工技术。

随着上世纪六十年代初第一台激光器的问世，高亮度和高时-空相干度的光源得以实现。从此，光子不仅成为了信息的有效载体，而且成为了能量的有效载体，光子学也由此而诞生。光子学是研究光子的产生、传输、处理以及光子与物质相互作用的科学，其范围涵盖传统光学、现代光学、光电子学等众多光学分支学科。从应用的角度来看，光子学是关于以光子作为信息和能量载体的信息感知、处理和传递，以及能量转化和利用的科学。在光子学的发展过程中，微纳米制造技术的引入是其发生质变的重要因素。从形式上讲，微纳光子技术似乎等于微纳米制造+光子学，而从本质上讲，随着物理尺度的改变，新的物理效应将出现。这些新效应的利用，使得提高器件性能甚至产生具有新功能的器件成为可能。从发展趋势看，光子学和电子学一样，正经历着朝纳米尺度发展的历程。“纳米研究”是《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006━2020 年）》所列的四个重大科学研究计划之一，纳米科技已成为许多国家提升核心竞争力的战略选择，是我国有望实现跨越式发展的领域之一。微纳光子技术触发了两个方面的广泛研究主题，其一是光在微-纳米尺度的新现象与特性的研究，其二是可用于工程应用的高效率、新功能器件的开发。在纳米尺度，材料的光学及光电新特性是通过人工构建的结构来实现的，而器件的性能又是通过材料特性保障的。设计和利用纳米尺度的结构，可强化光和物质的相互作用、以及获得奇异材料特性，在许多应用领域提供了新的方案和途径，比如超分辨成像、超高密度光存储、高效太阳能转换、高效大功率半导体照明、高灵敏度传感、生物光子诊疗、量子通信中的单光子光源及单光子探测器等，并且有可能提供低功耗、超高速、芯片集成的电光和全光开关，再次引发通信业的革命。因此有必要深入研究微纳光子功能材料与器件，为当前产业提升关键技术、为新兴产业作好技术储备。

（1）“光电子材料、器件及集成光子芯片技术”研究方向

该方向主要开展如下几方面的研究工作。1）GaN 基光电材料与器件研究，研究 InGaN/GaN 量子阱，以及 AlGaN 电子阻挡层对器件性能的影响，设计和优化外延片量子阱发光区结构，LED 芯片表面粗化和纳米结构设计等；2）有机/无机杂合太阳能电池和发光器件，研究用图案掩膜与金属诱导化学腐蚀方法在体硅上生长出形状可控的阵列化硅纳米线的制备技术，实现高效率的硅纳米线/共轭聚合物杂合太阳能电池的制备方法；3）基于表面等离子增强的非线性功能器件与芯片，研究如何应用金属与半导体材料结合的混合结构使非线性响应获得极大增强，以适用于超紧凑、超高速及超低功耗的光操控过程，并进一步考虑超材料体系的折射率非局域性，研究并获得具有更强非线性效应的等离子超材料结构；4）微纳光电材料与器件研究，生长横向和纵向尺寸、空间密度，掺杂、结构等可灵活控制的 GaN 基纳米线，并研究 InGaN/GaN、GaN/AlN、GaN/AlGaN 等异质结核壳结构纳米线的设计与生长。

（2）“微纳光子材料与器件技术”研究方向

该方向主要开展如下几方面的研究工作。1）超高密度光信息存储材料和技术：主要研究基于金纳米棒/聚合物复合材料的超高密度光信息存储材料的制备以及波长、偏振、功率等多维复用光信息存储技术。2）硅基发光纳米材料的制备及其应用：研究直径为 150-300nm 硅球的非线性光学性质，其中包括磁偶极共振对荧光寿命的影响，飞秒激光脉冲激发的上转换荧光等；研究直径小于 2nm 的硅量子点在飞秒激光脉冲激发下的上转换荧光及其在生物成像中的应用。3）飞秒激光脉冲金属/半导体表面结构化改性：主要研究飞秒激光脉冲在金属/半导体表面诱导的微纳米结构以及它们导致的金属/半导体物理性质的变化，探索紫外-太赫兹超宽电磁波段吸波金属材料的制备和评价。4）金纳米棒在生物光子学中的应用：主要研究金纳米棒及其局域表面等离子共振在细胞成像、癌细胞诊断和治疗、光热治疗等方面的潜在应用。5）太赫兹波与金属微纳米结构/粒子的相互作用：主要研究太赫兹波在金属微纳米结构或粒子附近产生的强局域电场，探索利用金属微纳米结构制备各种太赫兹波段功能器件。

（3）“新型光通信、光传感与光传输技术”研究方向

该方向主要开展如下几方面的研究工作。1）研究量子密钥分发系统的动态特性及应对动态特性所采用稳定性处理过程的实际安全性问题，改进用于量子保密通信的高性能单光子探测器、驱动控制系统以及伺服系统等；2）开展新型光通信集成器件和光电混合传感物联网技术研究，探索新结构和新材料下的光场操控原理与方法，研究光通信传感物联网络拓扑结构，设计高分辨解调方案，从而实现高效的集成光电通信和多参数传感技术及系统目标；3）振荡性非局域非线性系统中边界条件对光孤子传输特性及稳定性的影响，负性液晶中非局域孤子的传输特性及孤子相互作用规律的理论和实验研究，振荡型二次孤子的传输特性以及边界条件对二次孤子传输规律的影响，PT对称系统中局域和非局域孤子传输规律的研究等；4）我们将进一步发展新的方法例如聚焦成像、后焦面成像等，来进行定位和定向研究，以期同时获得金属纳米粒子的准确空间方向和空间位置，最后将此种方法用于具体的生物体系和材料体系进行探测研究。

（4）“新型光纤、激光器与激光加工技术”研究方向

该方向主要开展如下几方面的研究工作。1）基于特种光纤的激光器开发与研制，采用高温熔融的 Non-CVD 技术，制备出具有高荧光效率的镱离子掺杂 MSF；2）短脉冲（皮秒、飞秒）、短波长激光微纳加工技术和装备，研发高精度和高功率光纤飞秒激光、超短脉冲（皮秒、飞秒）激光器及其装备，应用于微电子器件和大规模集成电路的生产和修补、高精度飞秒光刻、硅基表面高精度表面处理加工、透明材料如玻璃或陶瓷材料内表面的精密加工等诸多重要方面。3）高功率激光多场耦合精密焊接技术的研究，研究在多场耦合条件下，轻质合金焊接的冶金学行为，揭示其加热、冷却与凝固过程的机制，建立工艺、组织与性能的关系，丰富多场耦合条件下轻质合金焊接的理论体系，实现轻质合金焊接的实用化。4）面向复杂器件的激光 3D 打印技术，开发出系列的成形材料和专用激光器、软件以及控制系统，并集成3D 打印系统，开发出相应的工艺，制定相应的标准，并建成先进的 3D 打印材料、激光器及系统生产线和完善的工艺流程，实现规模化、产业化生产。