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微纳光电子学实验室概况




微纳光电子学研究微纳结构中物质与光波/光子的相互作用,为光电子技术的创新发展提供了新的物理机制和实现手段。本实验室面向智能化社会在信息、能源、环境、生物医学等重大科技领域相关光电技术的创新突破,致力于微纳结构光电材料中新颖奇特的物理效应和光电特性的研究,探索研发新一代光-量子功能器件。

实验室成立于2004年,经过十来年的努力,形成了由长江学者、多名高级职称研究人员及四十余名博士/硕士研究生、工程师组成的科研团队;建立起了完整的微纳结构光电子材料与器件的设计、制备和测试平台,研究开发出了世界领先的微纳结构制备工艺;在光子/光声晶体、表面等离子激元、自由电子辐射芯片、硅基光/量子器件及系统应用等方面取得了国际领先的研究成果,研制出具有自由电子辐射、实时光谱成像、光学轨道角动量辐射、声子激射、光量子态产生及操控等功能的集成光电子芯片;实验室成果发表学术刊物论文二百余篇,引用数千次,团队成员在国际学会上做了五十余场邀请报告,学生十余次获得国际学会最佳论文或最佳Poster奖,是微纳光电子领域具有影响力的团队之一。

团队负责人黄翊东教授早在90年代初就活跃在光电子领域国际学术舞台。作为清华大学-东京工业大学联合培养博士生,她在半导体激光器领域著名的末松安晴实验室从事博士论文工作期间,提出并实验验证了半导体张应变量子阱激光特性的新论点,引起国际同行的关注;94年进入日本NEC公司任特聘研究员,在光通信DFB激光器的研究中获得多项创新,分别在1997年和2003年获得NEC功绩奖,特别是近十几年来,在微纳光电子学领域的学术成就得到国内外同行的广泛认可,多次在国际重要学会上做邀请报告,担任OECC、IPC等国际学会的TPC成员,CIOP学会的Local Chair、学术委员会主席,并从2007年起成为国际微纳光电领域高层峰会 iNOW(International Nano-Optoelectronics Workshop)的指导委员会成员至今。她现为美国光学学会会士(Fellow of OSA),美国ACS Photonics杂志副主编。

在20年前世纪之交之际,黄翊东教授抓住介观物理学的新突破,创建本实验室开启了全新的微纳光电子领域的研究。带领团队从初期选择光子晶体作为切入点,攻克微纳结构光电子芯片加工和测试的关键技术瓶颈,到研制出世界首款实时光谱成像芯片;从表面等离子激元器件的突破,到开拓片上自由电子辐射这一全新研究范式;从各种硅光芯片的创新,到光/量子计算、量子通信/网络系统的实现;取得丰富研究成果的同时培养了一批领域内专业人才。

张巍教授2003年8月于清华大学获得工学博士学位并留校任教,2006年晋升为副教授,2014年进入教研系列任长聘副教授。2004年加入团队以来专注于微纳光量子器件及其应用。结合光纤光学和微纳硅光子技术研制出了与当代光电子技术兼容的光通信波段量子光源器件以及硅基芯片上量子光源,实现了500米的光纤量子安全直接通信和50公里光纤量子鬼成像传送;突破了硅波导与超导纳米线混合集成的工艺难点,提出在芯片上综合集成量子光源和量子态操控的新方案,形成了自主发展的完整硅光量子芯片技术路线;将量子集成芯片应用于大用户规模量子通信网络新技术,利用光量子器件创新推动量子信息应用跨越式发展。已发表SCI期刊论文一百余篇。授权发明专利二十余项,其中以第一发明人授权国家发明专利9项。他目前是清华大学电子工程系信息光电子研究所副所长,美国光学学会高级会员。

冯雪副教授2005年1月获得工学博士学位并留校任教,于2007年加入团队,2019年2月获得清华大学长聘副教授。主要的学术方向为微纳结构光电子器件,特别是微纳结构硅基光子集成技术的研究。他从光互连和光生化传感器的应用需求出发,针对光电集成芯片中所需的光源、传输、调控等功能器件以及集成方式开展研究工作,先后研制出多种指标国际领先的新型硅光子器件,包括工作在硅高吸收区的狭缝硅波导、高调制效率和高温度稳定性的硅基电光调制器和母子微环结构的集成光分插复用器等;并在轨道角动量(OAM)辐射芯片的研究中取得突破,成功研制出9阶动态可调的OAM集成芯片。在此基础上,聚焦面向智能感知的光信息处理技术,利用硅基光子集成技术发展水库光计算以及基于高维空间模态的通用光学变换方法。已经发表期刊和会议论文150余篇,现为美国光学学会(OSA)会员,自然出版集团旗下杂志Scientific Reports编委。

刘仿教授2008年7月获得工学博士学位并留校任教,2021年6月获得清华大学长聘教授。主要的学术方向包括表面等离激元集成器件、自由电子辐射器件、新型自由电子发射源。他实现了基于异质波导耦合结构的传感芯片,厚度变化传感分辨率达1.65dB/nm,探测双酚A分子的传感灵敏度达到0.1ng/ml;实现了表面等离激元纳米颗粒增强的太阳能电池结构,有机和染料敏化太阳电池的效率分别获得25%和32%的提升;在自由电子与微纳结构相互作用的研究中取得重大突破,从根本上解决了切伦科夫辐射需要极高电子速度这一科学界几十年来的难题,同时实现了世界上第一个集成自由电子光源;首次观测到深紫外波段的斯密斯帕塞尔辐射,并提出产生涡旋斯密斯帕塞尔辐射的片上集成方法。成果入选“2017年中国光学十大进展”,在Nature Photonics、Optica、Nanophotonics、Photonics research等杂志上发表多篇论文。刘仿获得2018年度“青年长江学者”称号。

崔开宇副教授2010年7月获得工学博士学位并留校任教,2019年12月获得清华大学长聘副教授。主要的学术方向为基于半导体周期微纳结构的光电子器件,特别是基于光子晶体、光声晶体、超表面的新型智能感知光电子器件:实现了尺寸最小的光子晶体宽带光开关,是InP基有源光子晶体刻蚀深宽比记录保持者;同时她将研究方向拓展到光声晶体微腔,研究周期结构中光子和声子相互作用物理机理和器件应用,在国际上率先实现了超窄线宽超高频率(5.4kHz/6.22GHz)的声子激射,也为智能感知提供了新的高精度传感手段;在成果转化方面,基于可重构超表面研制出了国际首款可一次成像的CMOS光谱成像芯片,单点光谱分辨率达0.8nm,成像空间光谱解像度达6000以上,为智能感知开辟了“实时光谱成像”这一新的信息获取维度。多项专利已转让或授权并成立“北京与光科技有限公司”,获得数千万元天使轮融资。已经发表期刊和会议论文90余篇,现为美国光学学会(OSA)会员,自然出版集团旗下杂志Scientific Reports编委,北京与光科技有限公司创始人/首席科学家。

实验室成立以来培养博士生48人,硕士生49人,其中18人次获北京/清华优秀毕业生、优秀博士/硕士论文等奖项。目前在读博士生27人,硕士生10人。实验室的研究涵盖了微纳光电子领域的主要方向,科研团队成员的研究相对独立但又密切联系。器件设计的新思想可以相互启发,应用的材料和结构可以相互借鉴,器件加工平台和测试平台可以共享,发展的新制备工艺和实验方法可以相互促进;不同的研究聚焦点相互渗透、交叉融合,拓展了研究创新的空间,形成了以微纳光电子学的材料基础和器件物理为核心,面向应用需求发展新型光-量子器件的总体方向,以及强调器件的创新与实际应用研究相结合的特点。