·編者按·

光電子器件

·編者按·

光電子器件是利用電-光子轉(zhuǎn)換效應制成的各種功能器件，是光傳感與光通信領(lǐng)域最基礎(chǔ)的元件，發(fā)揮著舉足輕重的作用。按照功能劃分，分為光有源器件和光無源器件。光有源器件是光通信系統(tǒng)中需要外加能源驅(qū)動可以將電信號轉(zhuǎn)換成光信號或?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)換成電信號的光電子器件，是光傳輸系統(tǒng)的心臟。光無源器件是不需要外加能源驅(qū)動工作的光電子器件。目前，光電子器件有4大關(guān)鍵技術(shù)，包括：新型激光器、多光譜探測技術(shù)、有機顯示技術(shù)、光電集成技術(shù)。光電子器件主要包括激光器、探測器、發(fā)光二極管等。光電子器件應用范圍十分廣闊，如手機、相機、攝像機、夜視眼鏡、光電瞄具、紅外探測、紅外制導、紅外遙感、指紋探測、導彈探測、醫(yī)學檢測和透視等等。光電子器件將為通信與信息技術(shù)、能源、先進制造、生物醫(yī)藥、國防與國家安全領(lǐng)域帶來廣闊的發(fā)展前景。

本專題得到中國科學院半導體研究所研究員沈國震的大力支持。

·熱點數(shù)據(jù)排行·

截至2016年9月2日，中國知網(wǎng)（CNKI）和Web of Science（WOS）的數(shù)據(jù)報告顯示，以“光電子器件”為詞條可以檢索到的期刊文獻分別為1069條與5884條，本專題將相關(guān)數(shù)據(jù)按照：研究機構(gòu)發(fā)文數(shù)、作者發(fā)文數(shù)、期刊發(fā)文數(shù)、被引用頻次進行排行，結(jié)果如下。

研究機構(gòu)發(fā)文數(shù)量排名（CNKI）

研究機構(gòu)發(fā)文數(shù)量排名（WOS）

作者發(fā)文數(shù)量排名（CNKI）

作者發(fā)文數(shù)量排名（WOS）

期刊發(fā)文數(shù)量排名（CNKI）

期刊發(fā)文數(shù)量排名（WOS）

根據(jù)中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)報告，以“光電子器件”等為詞條可以檢索到的高被引論文排行結(jié)果如下。

國內(nèi)數(shù)據(jù)庫高被引論文排行

根據(jù)Web of Science統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以“光電子器件”為詞條可以檢索到的高被引論文排行結(jié)果如下。

國外數(shù)據(jù)庫高被引論文排行

·經(jīng)典文獻推薦·

基于Web of Science檢索結(jié)果，利用Histcite軟件選取LCS（Local Citation Score，本地引用次數(shù)）TOP 50文獻作為節(jié)點進行分析，得到本領(lǐng)域推薦的經(jīng)典文獻如下。

本領(lǐng)域經(jīng)典文獻

Vacuum-deposited， nonpolymeric flexible organic light-emitting devices

Gu， G； Burrows， PE； Venkatesh， S

N'-bis（3-methylphenyl） 1-1'biphenyl-4 4' diamine（TPD）. The single heterostructure is vacuum deposited upon a transparent，lightweight， thin plastic substrate precoated viith a transparent， conducting indium tin oxide thin film. The flexible OLED performance is comparable with that of conventional OLED's deposited upon glass substrates and does not deteriorate after repeated bending. The large-area（similar to 1-cm2） devices can be bent without failure even after a permanent fold occurs if they are on the convex substrate surface or over a bend radius of similar to 0.5 cm if they are on the concave surface. Such devices are useful for ultralightweight， flexible， and comfortable full-color flat panel displays.

來源出版物：Optics Letters， 1997， 22（3）:172-174

Integration of organic LED's and amorphous Si TFT's onto flexible and lightweight metal foil substrates

Wu， CC； Theiss， SD； Gu， G； et al.

來源出版物：IEEE Electron Device Letters， 1997， 18（12）: 609-612

Nanophotonic waveguides in silicon-on-insulator fabricated with CMOS technology

Bogaerts， W； Baets， R； Dumon， P； et al.

nanophotonics； photonic crystal； waveguides；silicon-on-insulator（SOI）

來源出版物：Journal of Lightwave Technology， 2005，23（1）: 401-412

The past， present， and future of silicon photonics

Soref， R

insulator wave-guides； 1.6 μm； on-insulator；stimulated-emission；heterostructures；modulator；components； light； optoelectronics； semiconductors

來源出版物：IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics， 2006， 12（6）: 1678-1687

Ultracompact optical buffers on a silicon chip

Xia， FN； Sekaric， L； Vlasov， Y； et al.

來源出版物：Nature Photonics， 2007， 1（1）: 65-71

·推薦綜述·

從電動力學到量子電動力學：納米光電子器件

王肇中

1引言

傳統(tǒng)上，研制微電子器件和光學器件的物理基礎(chǔ)是普通物理和凝聚態(tài)物理（含半導體物理）。長期以來，光學器件是基于幾何光學和波動光學的原理進行設(shè)計和研制的，而微電子電路設(shè)計遵循的定律是基爾霍夫電路定律。基爾霍夫電路定律是電動力學中的一個定律，麥克斯韋四個方程被尊為電動力學的基礎(chǔ)。在麥克斯韋的理論中，光場被視為振動的正交電場和磁場，故電磁場理論也適用于光場。但是麥克斯韋理論的光學不能解釋光電效應和黑體輻射，因而不能用于指導光電器件的研發(fā)。進入21世紀，我們的研發(fā)和加工生產(chǎn)技術(shù)進入了納米領(lǐng)域，飛速發(fā)展的光電子領(lǐng)域?qū)鹘y(tǒng)的器件設(shè)計基本原理提出了新的挑戰(zhàn)。納米尺度下的光電器件的研制與米、毫米、微米尺度下的電子器件或光學器件的研制在基本原理與制造技術(shù)上有著本質(zhì)的不同。我們必須采用量子電動力學和介觀物理作為納米光電子器件研發(fā)的基本原理。

光子和電子是兩種不同的粒子，電子是費密子具有靜止質(zhì)量，有電荷和自旋兩個自由度。光子是玻色子，有能量無靜止質(zhì)量。在量子電動力學中，光子和電子可以相互轉(zhuǎn)化，在介觀物理中光子是可以被“局域化”（Localization）的，對局域化光子的深入研究導致了一種名叫光子晶體的新材料的開發(fā)和利用。但是，過去很長一段時間，應用科學家和工程師們總是習慣于把光子和電子分割開來，孤立地加以考慮。傳統(tǒng)的電子學僅僅只考慮電子電荷在電場和磁場作用下的運動，基本不涉及電子空穴對的產(chǎn)生和湮滅。而傳統(tǒng)光學習慣于把光子視為一種始終在高速傳播的粒子或波包。只是到了 20世紀60年代后，在研發(fā)激光器件和光伏器件時，人們才把能隙躍遷、光電轉(zhuǎn)化的原理大規(guī)模地應用到研究、開發(fā)和生產(chǎn)中。但這種應用僅限于研制與半導體能隙有關(guān)的激光器和低效率的太陽能轉(zhuǎn)化器。20世紀90年代以來，國外研究實驗室中已能小批量制作精度為 30～100 nm的納米元件。納米器件的尺度已小于光波長度和電子的平均自由程，電子波函數(shù)的量子化效應在小尺度的納米元件中已變得很明顯。各國科學家們在這種器件中開展了大量的深入研究，并在探索光子、電子的輸運、存儲和轉(zhuǎn)換的研究中，獲得了一系列的意想不到的研究成果。光-電轉(zhuǎn)換或光-電-光的轉(zhuǎn)換甚至可以在遠小于一個光波的尺度內(nèi)實現(xiàn)（如100 nm以下）。由納米器件尺度引起的量子效應，直接參與光-電轉(zhuǎn)換?；诖罅孔钚卢F(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的啟示與推動，為響應信息科技的高速發(fā)展，產(chǎn)生了一種全新的光子技術(shù)：納米光子技術(shù)。在這種全新的納光子技術(shù)中，微電子技術(shù)和概念被大量地推廣應用于納光子技術(shù)中，非線性光學獲得了長足的發(fā)展。創(chuàng)新型元件如集成激光器、各種類型的全光放大器、新型濾波器等層出不窮地涌現(xiàn)。

2納米光電子技術(shù)的誕生

隨著納米器件尺寸的不斷減小，量子效應不可避免地開始影響進而主導器件的物性。在量子力學的框架內(nèi)探索納米結(jié)構(gòu)中電荷和自旋的量子運輸，探索光子的運輸，尋找全新的量子調(diào)控機理和量子器件原理，是當今的前沿研發(fā)領(lǐng)域，這正在導致信息技術(shù)新的革命。

2.1基爾霍夫定律在納米尺度下失效

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，晶體管所采用的基本原理——基爾霍夫定律在納米尺度下將會失效。以串聯(lián)的歐姆電阻定律為例，電阻RA和RB串聯(lián)后的總電阻為RA+RB，但是在納米尺度下，即當1和2之間的平均距離小于電子的平均自由程時，電阻的串聯(lián)定律將不再適用，我們必須引入量子電阻的概念，串聯(lián)后的總電阻仍為RA（量子電阻）。此時電路設(shè)計中的很多原理、過程等將需要重新考慮。在晶體管中也會出現(xiàn)這樣的情況，當晶體管的尺寸做得特別小時，電子的隧穿效應將起到主要作用。在納米尺度下，電導率的量子化會導致基爾霍夫定律的失效，但是這種失效究竟會在多小尺度時產(chǎn)生，這不僅是科研上的一個重大問題也是一個工業(yè)生產(chǎn)上的一個影響巨大的問題，涉及價值數(shù)十甚至數(shù)百億美元的投資和生產(chǎn)。十多年前，人們曾認為在硅電子器件中，電子的平均自由程是50 nm，因而當器件制作尺寸達到50 nm左右時，基爾霍夫定律將會失效，電路將不能工作。但是隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)當電路縮小以后，電子的平均自由程由于雜質(zhì)、電路邊緣“毛刺”等原因本身也會迅速減小，結(jié)果電路尺寸在50 nm左右時基爾霍夫定律仍然適用。45 nm的微處理芯片已經(jīng)進入市場。電子的平均自由程究竟何時起作用，目前還是一個未知數(shù)。電子的平均自由程外，進一步需要考慮的是納米尺度下的隧穿、電子能量量子化和半導體摻雜雜質(zhì)的玻爾半徑等因素。我們有充分的理由相信一旦“經(jīng)典”的集成電路的加工精度小于10 nm時量子效應逐漸起主導作用?，F(xiàn)在最小的電路已經(jīng)做到22 nm，在不久的將來，這種觀點的正確與否將會得到論證。由于硅中雜質(zhì)的玻爾半徑在5 nm左右，受雜質(zhì)玻爾半徑的影響，當電路尺寸小于5 nm時基爾霍夫定律必然失效。結(jié)果是延續(xù)五十余年的集成電路的小型化歷程（摩爾定律）將在今后十年內(nèi)完成它的歷史使命?！敖?jīng)典”集成電路只涉及電子電荷在電場和磁場作用下的運動。走入“死胡同”的集成電子電路將呼喚著自旋電子學和光電子學的介入。新型的納米光電器件和自旋電子器件在等著我們?nèi)ラ_發(fā)。

在微米以上尺度研制電子器件的理論基礎(chǔ)是凝聚態(tài)物理和電動力學，主要制造技術(shù)是微米薄膜生長技術(shù)、微米加工技術(shù)、機械加工、管封技術(shù)等。納米尺度下的光電器件的研制與米、毫米、微米尺度下的電子元件或光學元件的研制在基本原理與制作技術(shù)上有本質(zhì)的區(qū)別。納米尺度下的光電元件的研制采用的基本原理是介觀物理和量子電動力學，其核心制造技術(shù)是分子層薄膜生長技術(shù)、納米加工技術(shù)和封裝技術(shù)。

2.2半導體材料的選擇

半導體材料中的光電轉(zhuǎn)換直接關(guān)聯(lián)到電子在不同的能級間躍遷。間接能隙躍遷必須伴隨有聲子參與的動量變化，造成電子－空穴的復合效率低，光電轉(zhuǎn)換中伴有重要的能量損失，不利于高效的光電轉(zhuǎn)換。電子工業(yè)中常用的 Si、Ge晶體由于其特殊的晶體對稱性，是屬于間接能隙的半導體材料，不宜用來做納米光電子器件。GaAS、InP等Ⅲ-Ⅴ族晶體屬于直接帶隙半導體材料，光電轉(zhuǎn)換效率高，因而常選用Ⅲ-Ⅴ半導體材料做光電器件。在實際生產(chǎn)工藝中，硅晶體占據(jù)電子工業(yè)中常用的材料的95%。如何利用硅材料制造納米光電子器件是一個重要的研究課題。科學家們常在硅基襯底上先克服困難生長出高質(zhì)量的Ⅲ-V族半導體薄膜，然后再利用這些薄膜制作光電器件。

3二維量子阱－光電元件基本單元的制造工程

二維材料是工藝最簡單的可用于大規(guī)模生產(chǎn)的低維材料，它們在被用來進行復雜的微納米加工前就已具有非常的宏觀量子效應。二維量子阱經(jīng)常被看作是制作納米光電子元件的基本單元。它的制造方法主要有：分子束外延生長法（MBE）和金屬有機化學氣相沉積法（MOCVD），前者的生長速度約為0.1 nm/s，但生長的薄膜質(zhì)量特別好，實驗室中常采用這種方法；后者生長速度較快，可以大規(guī)模批量生產(chǎn)，但是在生長過程中有毒氣體會產(chǎn)生，一般工業(yè)生產(chǎn)常采用這種方法。

3.1金屬有機化合物化學氣相淀積（MOCVD）

金屬有機化合物化學氣相淀積是一種新型氣相外延生長技術(shù)。常用的襯底為砷化鎵、磷化銦（InP）、硅、碳化硅及藍寶石。它以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機金屬化合物和V、Ⅵ族元素的氫化物等作為晶體生長源材料，以熱分解反應方式在襯底上進行氣相外延，生長各種Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體以及它們的多元固溶體的薄膜材料。這些半導體薄膜主要應用在光電元件（如：LED發(fā)光二極管、激光二極管及太陽能電池）以及有特殊功能的微電子元件的制作。試驗中，壓強控制在9332.54 Pa，溫度在500～700℃范圍內(nèi)，采用H2作載氣，分別采用Triméthylindium（TMI）、Arsine（AsH3）和Phosphine（PH3）前驅(qū)物作為In、As和P的源物質(zhì)。

3.2分子束外延生長法（MBE）

分子束外延生長法是將半導體襯底放置在超高真空腔體中，和將需要生長的單晶物質(zhì)按元素的不同分別放在噴射爐中（也在腔體內(nèi)）。由分別加熱到相應溫度的各元素噴射出的分子流能在襯底上生長出極薄的（可薄至單原子層水平）單晶體和幾種物質(zhì)交替的超晶格結(jié)構(gòu)。以GaAs作襯底，采用Al、As、Ga三個不同的源，通過控制三個源的溫度、流速，實現(xiàn)了 GaAs和 AlAs在不同原子層面上的生長?？梢悦黠@地看出，在兩種不同物質(zhì)交界處，有明顯的原子平面界面。AlAs的能隙比較大（2.3 eV），而GaAs能隙較?。?.5 eV），用MBE法控制 GaAs層的厚度就可以控制能帶在空間中的排布。這樣，在能隙小的GaAs位置處就形成了量子阱。二維量子阱（Quantum Well）的能量與態(tài)密度呈階梯型突躍關(guān)系。二維的量子阱具有能級可控的特性，是最簡單的用于制造光電元件的納米結(jié)構(gòu)。我們可以利用二維量子阱直接制成最簡單的量子阱激光器，在量子阱中，電子－空穴復合的幾率高，從而可以做成效率很高的發(fā)光器。二維量子阱激光器發(fā)出的光子能量大于導帶與價帶間的能隙，單色性差，躍遷發(fā)出光的能量與量子阱寬度無關(guān)。對于三維結(jié)構(gòu)（Bulk），其能量與態(tài)密度呈拋物線關(guān)系，二維量子阱（Quantum Well）的能量與態(tài)密度呈階梯型突躍關(guān)系，一維量子線能量與態(tài)密度有很大的峰值躍遷，而零維的量子點的能譜呈原子光譜特性。1990年，J.Faist等發(fā)現(xiàn)除了上述的能帶之間的躍遷外，在二維量子阱激光器中還存在子能帶間的躍遷。與能帶之間的躍遷不同，子能帶間的躍遷發(fā)出的光的能量只和量子阱寬度有關(guān)，光子的單色性好，載流子壽命較約為1 ps。子能帶間躍遷發(fā)出的光子的能量遠小于能帶間躍遷發(fā)出的光子的能量。

3.3能帶工程（Band Engineering）

利用外延生長工藝，通過控制不同種類的半導體薄膜的厚度，可以制成復雜的薄膜結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)人為的能帶結(jié)構(gòu)。在一些結(jié)構(gòu)中，相距10 nm的兩個相鄰量子阱能帶能發(fā)生耦合，產(chǎn)生非線性特性。此外通過外加電場的作用使能帶出現(xiàn)非對稱，也可以實現(xiàn)非線性特性。在制作光電器件的過程中，可以根據(jù)光電器件的具體特點，設(shè)計具體的能帶結(jié)構(gòu)，用MBE或者MOCVD的方法來實現(xiàn)光電器件的作用。用這種設(shè)計方法，可以用制備化學傳感器如環(huán)境監(jiān)控、跟蹤氣體分析、過程控制以及流體探測等，在電訊方面也有著非常重要的應用。研究人員通過設(shè)計不同材料、不同厚度的量子阱層實現(xiàn)了垂直腔面激光器的研制。

4納米光電子技術(shù)的主要應用

4.1光子晶體

1987年，S. John將P. W. Anderson的“電子局域化”（Localization）理論推廣到光子。光子也可以被“局域化”，對局域化光子的深入研究導致了一種名叫光子晶體的新材料的開發(fā)和利用。光子晶體是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)。作為凝聚態(tài)物理的一個基礎(chǔ)，在晶格周期勢中運動的電子具有能帶結(jié)構(gòu)。如果將光子在不同介質(zhì)周期性排列而成的微結(jié)構(gòu)中傳播的方程寫出，可以發(fā)現(xiàn)其與電子能帶方程完全一樣。類似于電子能帶，我們可以將其稱為光子能帶。在光子能帶中，如果兩種介質(zhì)的折射率 n1=n2，則光子沒有能隙。如果兩種介質(zhì)的折射率n1≠n2，則光子有能隙。利用光子能帶的概念，我們可以設(shè)計具有不同對稱性的光子晶體結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)不同的特性。利用光子晶體可以做成濾波器。通過控制光子晶體不同的尺寸大小，可以獲得不同的波長。

4.2量子點

量子點又稱“人造原子”，可以用作單光子光源、長距離量子加密等。研究人員從1985年就開始了量子點作為光源的研究，當時研究的In（Ga）As/GaAs量子點發(fā)射波長達到1.3 μm。對于光通信所用的光纖而言，1.3 μm的波長在長距離、長波程傳輸中損耗比較大。發(fā)射波長為1.55 μm的InAs（P）/InP量子點由于傳輸損耗小、可調(diào)控等優(yōu)點，在光通信上有很大的應用，從1995年開始已成為人們研究的熱點。我們用MOCVD法在InP（001）襯底上生長了InAs/InP量子點。InAs和InP晶格尺寸不完全匹配，在生長過程中，由于周期性的晶格應力變化的原因，在應力集中區(qū)部分的原子被擠出生長面而形成凸包，這樣就形成了量子點。單個量子點的尺寸為50 nm左右，高度在5 nm左右，密度為1010 QDs/cm2。同時利用同樣的原理，我們用MBE的方法生長了InAs/GaAs量子點，由TEM知量子點尺寸在20 nm左右，高度在4 nm左右，量子點密度為1012 QDs/cm2。量子點中的電子具有量子化的能量，在光電學上有很重要的價值。在量子點中，有固定能量值的電子流和空穴流會發(fā)生復合，從而產(chǎn)生單色性很強的光。利用量子點發(fā)光的機理，我們使用InAs/InP量子點在光通信波段實現(xiàn)了單光子發(fā)射。試驗中采用光子測試儀對InAs/InP量子點發(fā)出的光子進行了測試，在測試的過程中，當一個光子打到測試儀上就會產(chǎn)生一個電信號，從而實現(xiàn)了對單個光子的測量。InAs/InP量子點可以產(chǎn)生單個光子，但是產(chǎn)出光子的弛豫時間并不是嚴格一致的。

4.3InGaAsP半導體光放大器（InGaAsP SOA）

電信號可以用放大器進行放大，光信號是不是也可以直接進行放大呢？傳統(tǒng)的將光信號進行放大的途徑是現(xiàn)將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，把電信號放大后再將其轉(zhuǎn)變成光信號，進而實現(xiàn)光信號的放大。光放大器的原理類似于電放大器，通過將能源（光或電）提供的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘柟獾哪芰恳詫崿F(xiàn)放大作用。工作于1550 nm波長的摻鉺光纖放大器，自從20世紀90年代被商業(yè)化以來已經(jīng)深刻改變了光纖通信工業(yè)的現(xiàn)狀。由電源供能的半導體光放大器因其體積小、價廉，有可能直接集成在光電線路中而受到重視。我們采用九層整齊排列的InGaAsP/InP的周期結(jié)構(gòu)制成半導體光子放大器，從而實現(xiàn)直接將光信號的放大。但是在實驗中，由于 SOA的生長質(zhì)量不好，得到的光子放大器不能與摻鉺的光纖放大器相媲美。因此，在進行實際生產(chǎn)以前，如何提高SOA的生長質(zhì)量仍是一個非常迫切的問題。

5結(jié)束語

進入納米時代的光電子領(lǐng)域?qū)鹘y(tǒng)光電器件設(shè)計的基本原理提出了新的挑戰(zhàn)，納米尺度下的光電器件的研制與傳統(tǒng)的電子器件或光學器件的研制在基本原理與制造技術(shù)上有本質(zhì)的不同，量子電動力學和介觀物理將替代電動力學和凝聚態(tài)物理作為納米光電器件研制的基本原理。隨著電子工業(yè)的不斷發(fā)展和科學研究的日益深入，一種全新的光子技術(shù)：納米光電技術(shù)已應運而生，非線性光學的研究獲得了新的動力。在這種技術(shù)中，人們將光子和電子的輸運與轉(zhuǎn)換聯(lián)合起來通盤進行考慮。今后納米光電子技術(shù)研發(fā)可分兩階段：

第一階段，今后 10～20年內(nèi)主要集中于光電路元件的研發(fā)，如有源主動元件：集成激光器、集成半導體光放大器等；無源被動元件：光纖、光子晶體、光濾波器等。第二階段，在光電路元件的研發(fā)達到一定水平后可開展光電線路與光電集成線路的研發(fā)（長期目標）：微處理器、儲存等。光纖技術(shù)的迅猛發(fā)展為我們建立了信息輸運的高速公路，納米光電技術(shù)的研究給人們開辟了一種全新的光電信息存儲、輸運和處理的途徑，這是當代通訊、電子工業(yè)的前沿開發(fā)領(lǐng)域。它的發(fā)展正在導致信息技術(shù)新的革命。目前（2011年）這方面大量的研發(fā)還僅集中在信息輸運領(lǐng)域，而光電信息的存儲、讀取和計算現(xiàn)在只停留于基礎(chǔ)研究的初級階段，如發(fā)展順利，它們有可能在十年后進入研發(fā)階段。我們有理由相信，隨著納米光電技術(shù)的開發(fā)，在可見的將來一種全新的信息存儲、輸運和處理的王國將建立起來。（本文為王肇中教授在第49期武漢光電論壇所作學術(shù)報告全文，由武漢光電國家實驗室沈國震根據(jù)錄音整理，經(jīng)王肇中教授審定后發(fā)表）?

【作者單位：法國國家科學院光子與納米結(jié)構(gòu)實驗室】

（摘自《光學與光電技術(shù)》2012年3期）

·高被引論文摘要·

被引頻次：234

導電聚合物

李永舫

導電聚合物是20世紀70年代發(fā)展起來的一個研究領(lǐng)域，因其誘人的應用前景受到廣泛重視。本文介紹了導電聚合物的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展歷史，綜述了導電聚合物的結(jié)構(gòu)和摻雜特征、制備方法、電導和電化學特性及其本征態(tài)共軛聚合物的光電特性。對導電聚合物當前的研究熱點和應用前景進行了討論。

導電聚合物；共軛聚合物；摻雜；電導；電化學性質(zhì)；光電子器件

來源出版物：化學進展， 2002， 14（3）: 207-211

被引頻次：115

ZnO光電導紫外探測器的制備和特性研究

葉志鎮(zhèn)，張銀珠，陳漢鴻，等

以Si（111）襯底，用脈沖激光沉積（PLD）法制得C軸高度擇優(yōu)取向的ZnO薄膜，并利用剝離技術(shù)制備了ZnO光導型紫外探測器。Al叉指狀電極是由平面磁控濺射技術(shù)沉積得到的。對Al/ZnO/Al的伏安特性和紫外光響應的研究表明，金屬鋁和ZnO能形成很好的歐姆接觸，紫外探測器的電阻值在100 KΩ左右。在紫外區(qū)域，其5 V偏壓下的光響應度為0.5 A/W。

ZnO薄膜；光電導紫外探測器；歐姆接觸；光響應度

來源出版物：電子學報， 2003， 31（11）: 1605-1607

被引頻次：99

ICP刻蝕技術(shù)及其在光電子器件制作中的應用

樊中朝，余金中，陳少武

簡單介紹了ICP（inductively coupled plasma）刻蝕設(shè)備的結(jié)構(gòu)和刻蝕機理，報道了ICP刻蝕硅、二氧化硅和Ⅲ-Ⅴ族材料的一些最新進展，重點介紹ICP刻蝕技術(shù)在光電子器件制作方面的進展和應用前景。

刻蝕；電感耦合等離子體；光電子器件

來源出版物：微細加工技術(shù)， 2003（2）: 21-28

被引頻次：44

膠體晶體自組裝排列進展

丁敬，高繼寧，唐芳瓊

自組裝排列膠體晶體是發(fā)展光子晶體等亞微米周期有序結(jié)構(gòu)及新型光電子器件十分重要的環(huán)節(jié)。高電荷密度單分散膠體球在較弱的離子強度和稀濃度下會自發(fā)排列形成緊密堆積的周期性結(jié)構(gòu)（ccp），常常是面心立方（fcc），科學家們以此為基礎(chǔ)發(fā)展了多種結(jié)晶化膠體粒子的方法，包括重力場沉積、電泳沉積、膠體外延技術(shù)、垂直沉積、流通池、物理束縛排列及其他的許多方法。目前排列的膠體粒子基本為球形，材料也多為SiO2、PS、PMMA，此外一些復合粒子，主要為核殼粒子的排列這里也稍作介紹，這些方法及其變通的使用可以形成類蛋白石及反蛋白石結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)光子帶隙及其它多種用途。

光子晶體；膠體晶體；蛋白石；自組裝

來源出版物：化學進展， 2004， 16（3）: 321-326

被引頻次：33

半導體量子電子和光電子器件

傅英，徐文蘭，陸衛(wèi)

闡述了半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)電子的量子特性，如電子波輸運、庫侖阻塞效應等。介紹了幾種新穎、典型的量子電子器件和量子光電子器件的物理模型和基本原理。這些器件包括了單電子晶體管、共振隧穿二極管、高電子遷移率晶體管、δ摻雜場效應晶體管、量子點元胞自動機、量子阱紅外探測器、埋溝異質(zhì)結(jié)半導體激光器、量子級聯(lián)激光器等。給出了作者在半導體量子器件物理方面的最新研究結(jié)果。

半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)；量子器件；電子波輸運；庫侖阻塞

來源出版物：物理學進展， 2001， 21（3）: 255-277

被引頻次：30

類石墨烯二硫化鉬及其在光電子器件上的應用

湯鵬，肖堅堅，鄭超，等

由單層或幾層二硫化鉬構(gòu)成的類石墨烯二硫化鉬（graphene-like MoS2）是一種具有類似石墨烯結(jié)構(gòu)和性能的新型二維（2D）層狀化合物，近年來以其獨特的物理、化學性質(zhì)而成為新興的研究熱點。本文綜述了近年來類石墨烯二硫化鉬常見的幾種制備方法，包括以微機械力剝離、鋰離子插層和液相超聲法等為主的“自上而下”的剝離法，以及以高溫熱分解、水熱法等為主的“自下而上”的合成法；介紹了其常用的結(jié)構(gòu)表征方法，包括原子力顯微鏡（AFM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和拉曼光譜等；概述了類石墨烯二硫化鉬的紫外-可見（UV-Vis）吸收、熒光發(fā)射等基本光物理性質(zhì)及其相關(guān)機理；總結(jié)了類石墨烯二硫化鉬在二次電池、場效應晶體管、傳感器、有機電致發(fā)光二極管和電存儲等光電子器件領(lǐng)域的應用原理及其研究進展，展望了這類新型二維層狀化合物的研究前景。

類石墨烯二硫化鉬；二維層狀化合物；材料制備；結(jié)構(gòu)表征；光物理性質(zhì)；光電子器件

來源出版物：物理化學學報， 2013， 29（4）: 667-677

被引頻次：28

ZnSe紅外窗口材料及體單晶的制造與用途

楊遇春

綜述了 ZnSe紅外激光窗口材料的物理、機械性能及在二氧化碳激光器件中的應用狀況，紅外窗口用ZnSe多晶的制備方法及光電子器件用ZnSe單晶的多種生長途徑和研制水平。指出由于原料價格低廉，ZnSe晶體在激光窗口等應用中有很好的前景。藍色發(fā)光管等電子器件的研究與發(fā)展還將為 ZnSc單晶開拓一定的民用市場。

ZnSe；紅外窗口材料；激光器件；光電子器件；紅外激光；藍色發(fā)光；研究與發(fā)展；熔體生長；源材料；CdTe

來源出版物：稀有金屬， 1992， 16（5）: 364-371

被引頻次：26

有機聚合物光波導的研制

凌云，張彤，崔一平

聚合物光電子器件是目前世界范圍的一個研究熱點，其本身所具有易于集成、響應快速、成本低廉一系列優(yōu)點，在光通信方面有廣泛的和極具吸引力的應用前景。介紹了制作有機聚合物光波導的工藝流程，并用兩種方法制備出有機聚合物光波導。這對后續(xù)研究有很大的幫助。

工藝；有機聚合物；光波導

來源出版物：電子器件， 2005， 28（2）: 265-267

被引頻次：23

強激光對光電器件及半導體材料的破壞研究

倪曉武，沈中華，陸建

本文綜述了強激光對光電器件、半導體材料的破壞研究的進展、研究現(xiàn)狀和尚未解決的問題。

強激光；光電子器件；半導體材料；損傷機制

來源出版物：光電子·激光， 1997， 8（6）: 487-490

被引頻次：22

硅基集成光電子器件的新進展

周治平，郜定山，汪毅，等

綜述了硅基微納激光器、調(diào)制器、探測器及光傳輸控制器件的最新研究進展。重點闡述了表面等離子體、量子阱、光子晶體及納米光柵等新型結(jié)構(gòu)在提高器件綜合性能和降低器件尺寸方面的重大作用。同時，還展示了用標準互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術(shù)，實現(xiàn)硅基光子器件和電子器件在同一基片上微納集成的巨大前景。

硅基光電子器件；微納集成；激光器；調(diào)制器；探測器；納米光柵

來源出版物：激光與光電子學進展， 2007， 44（2）: 31-38

被引頻次：689

Ultracompact optical buffers on a silicon chip

Xia， FN； Sekaric， L； Vlasov， Y； et al.

來源出版物：Nature Photonics， 2007， 1（1）: 65-71

被引頻次：638

The past， present， and future of silicon photonics

Soref， R

insulator wave-guides； 1.6 μm； on-insulator；stimulated-emission；heterostructures；modulator；components； light； optoelectronics； semiconductors

來源出版物：IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics， 2006， 12（6）: 1678-1687

被引頻次：563

Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser

Fang， AW； Park， H； Cohen， O； et al.

來源出版物：Optics Express， 2006， 14（20）: 9203-9210

被引頻次：441

Extremely efficient flexible organic light-emitting diodes with modified graphene anode

Han， TH； Lee， Y； Choi， MR； et al.

來源出版物：Nature Photonics， 2012， 6（2）: 105-110

被引頻次：439

Nanophotonic waveguides in silicon-on-insulator fabricated with CMOS technology

Bogaerts， W； Baets， R； Dumon， P； et al.

nanophotonics； photonic crystal； waveguides；silicon-on-insulator（SOI）

來源出版物： Journal of Lightwave Technology， 2005，23（1）: 401-412

被引頻次：438

Ultra-low loss photonic integrated circuit with membrane-type photonic crystal waveguides

McNab， SJ； Moll， N； Vlasov， YA

來源出版物：Optics Express， 2003， 11（22）: 2927-2939

被引頻次：424

Ge-on-Si laser operating at room temperature

Liu JF； Sun XC； Camacho-Aguilera， R； et al.

來源出版物：Optics Letters， 2010， 35（5）: 679-681

被引頻次：393

Nanoplasmonics: Past， present， and glimpse into future

Stockman， MI

來源出版物：Optics Express， 2011， 19（22）: 22029-22106

被引頻次：376

All-optical high-speed signal processing with silicon-organic hybrid slot waveguidesx

Koos， C； Vorreau， P； Vallaitis， T； et al.

來源出版物：Nature Photonics， 2009， 3（4）: 216-219

被引頻次：357

Lasing spaser

Zheludev， NI； Prosvirnin， SL； Papasimakis， N； et al.

來源出版物：Nature Photonics， 2008， 2（6）: 351-354

·推薦論文摘要·

納米光電子器件最新進展及發(fā)展趨勢

白天為，龔文曄

納米光電子技術(shù)是一門新興科技，近年來隨著其發(fā)展及研究受到越來越多學者和專家的關(guān)注，該技術(shù)的應用更是成為現(xiàn)代人們關(guān)注的熱點。文章主要針對納米光電子器件展開分析，并對其未來發(fā)展方向進行了闡述。

納米光電子器件；發(fā)展進展；發(fā)展趨勢

來源出版物：科技創(chuàng)新與應用， 2016（5）: 34-34

硅基Ⅲ-Ⅴ族量子點激光器的發(fā)展現(xiàn)狀和前景

王霆，張建軍，Huiyun Liu，等

簡要綜述了硅基Ⅲ-Ⅴ族量子點激光器的研究進展。在介紹了量子點激光器的優(yōu)勢和發(fā)展后，重點介紹了近年來硅基、鍺基Ⅲ-Ⅴ族量子點材料生長上的突破性進展及所帶來的器件性能的大幅提高，如實現(xiàn)了鍺基和硅基1.3 μm InAs/GaAs量子點激光器的室溫激射，鍺基量子點激光器的閾值電流低至55.2 A/cm2并可達60℃以上的連續(xù)激射，通過鍺硅虛擬襯底，在硅基上實現(xiàn)了30℃下以16.6 mW的輸出功率達到4600 h的激光壽命，這些突破性的進展為硅基光電子集成打開了新的大門。

半導體激光；激光材料；集成光學；光電子器件

來源出版物：物理學報， 2015（20）: 19-26

局域表面等離子體激元在光電器件中的應用

王純子，黃凱

隨著微加工技術(shù)和納米技術(shù)的迅速發(fā)展，表面等離子體技術(shù)在光電子器件的微型化和集成化上得到了廣泛應用，受到了物理、化學、生物、以及醫(yī)學等多個領(lǐng)域人士的極大關(guān)注。局域表面等離子體（LSPs）由于具有獨特的傳播、激發(fā)、以及表面電磁場的局域增強特性，使得其在各個領(lǐng)域的應用有著顯著的優(yōu)勢。文章敘述了LSP的相關(guān)特性及影響其共振頻率的幾個因素。分析了LSP在光伏電池、光電探測器和發(fā)光二極管（LED）等領(lǐng)域的應用，包括最近幾年所取得的一些重要進步，并著重介紹了我們小組近期在這些方面研究所取得的成果。

局域表面等離子體激元（LSP）；金屬納米顆粒；發(fā)光二極管（LED）

來源出版物：宜春學院學報， 2015， 37（3）: 14-17

基于石墨烯納米帶的齒形表面等離激元濾波器的研究

盛世威，李康，孔繁敏，等

提出了一種基于石墨烯納米帶的齒形表面等離激元波導濾波器，并且用時域有限差分法研究了這種結(jié)構(gòu)。單個齒形的濾波器可以實現(xiàn)帶阻濾波，其濾波特性可以用基于散射矩陣的解析模型解釋。濾波器的透射譜特性可以通過調(diào)節(jié)齒的長度、寬度以及石墨烯的化學勢來改變。由于石墨烯的化學勢可以用門電路來調(diào)節(jié)，這種結(jié)構(gòu)的濾波器可以在器件加工完成后靈活地調(diào)節(jié)其工作波長。同時研究了多齒濾波器，這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)寬帶濾波，文中對具有不同齒數(shù)、周期的濾波器的透射譜進行了細致的研究。研究結(jié)果對實現(xiàn)基于石墨烯的大規(guī)模集成光電子器件提供了重要的理論參考。

濾波器；石墨烯；光波導；表面等離激元

來源出版物：物理學報， 2015， 64（10）: 108402-108402

聯(lián)系郵箱：李康，kangli@sdu.edu.cn

硅基光功率監(jiān)測技術(shù)的最新進展

衛(wèi)歡，余輝，邵海峰，等

隨著集成光路復雜度的增加，需要在不影響系統(tǒng)正常工作的情況下，在鏈路內(nèi)使用光功率監(jiān)測器對集成光路進行實時監(jiān)測，有效地進行器件行為分析。文章綜述了硅基光功率監(jiān)測器的最新研究進展。重點闡述了表面態(tài)吸收、雙光子吸收、鍺吸收以及缺陷態(tài)吸收機制下的光功率監(jiān)測方案以及各自的優(yōu)缺點，最后詳細討論了利用缺陷態(tài)吸收機制實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的巨大優(yōu)勢。

硅基光電子器件；光功率監(jiān)測器；光電探測器

來源出版物：光通信研究， 2015（6）: 20-29

聯(lián)系郵箱：余輝，huiyu@zju.edu.cn

石墨烯光電子器件的應用研究進展

李紹娟，甘勝，沐浩然，等

自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，石墨烯因其卓越的光學和電學性能及其與硅基半導體工藝的兼容性，備受學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。作為一種獨特的二維原子晶體薄膜材料，石墨烯有著優(yōu)異的機械性能、超高的熱導率和載流子遷移率、超寬帶的光學響應譜及極強的非線性光學特性，使其在新型光學和光電器件領(lǐng)域具有得天獨厚的優(yōu)勢。一系列基于石墨烯的新型光電器件先后被研制出，已顯示出優(yōu)異的性能和良好的應用前景。此外，近期石墨烯表面等離子體激元的發(fā)現(xiàn)及太赫茲器件的研究進一步促進了石墨烯基光電器件的蓬勃發(fā)展。綜述重點總結(jié)近年來石墨烯在超快脈沖激光器、光調(diào)制器、光探測器以及表面等離子體領(lǐng)域的應用研究進展，并進一步分析目前所面臨的主要問題、挑戰(zhàn)及其發(fā)展趨勢。

石墨烯；脈沖激光器；光調(diào)制器；光探測器；表面等離子體；太赫茲

來源出版物：新型炭材料， 2014， 29（5）: 329-356

聯(lián)系郵箱：鮑橋梁，qlbao@suda.edu.cn

GaAs納米線及GaAs/InxGa1-xAs/GaAs納米線徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)的無催化選區(qū)生長的實驗研究

崔建功，張霞，顏鑫，等

利用無催化選區(qū)金屬有機化學氣相沉積（SA-MOCVD）法在GaAs（111）B襯底上分別制備了GaAs納米線和 GaAs/InxGa1-xAs/GaAs納米線徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)地研究了生長條件對 GaAs納米線生長的影響。實驗結(jié)果顯示，GaAs納米線的形貌和長度依賴于生長溫度、AsH3的分壓以及 SiO2掩膜表面的圓孔直徑。因此可以通過調(diào)節(jié)以上因素來得到高質(zhì)量的GaAs納米線。并且發(fā)現(xiàn)擴散是影響無催化選區(qū)生長GaAs納米線的主要機理。微區(qū)光致發(fā)光譜（μ-PL）表明，GaAs/InxGa1-xAs/GaAs納米線徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)被成功合成，室溫（300 K）下它的發(fā)光波長為913 nm。這些結(jié)果對于GaAs納米線及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備的進一步研究及其在光電子器件中的應用具有很好的參考價值。

GaAs納米線；無催化選區(qū)生長；金屬有機化學氣相沉積法

來源出版物：物理學報， 2014， 63（13）: 290-296

聯(lián)系郵箱：張霞，xzhang@bupt.edu.cn

激光剝離GaN表面的拋光技術(shù)

應磊瑩，劉文杰，張江勇，等

光剝離（LLO）技術(shù)是研制新型氮化鎵（GaN）基諧振腔結(jié)構(gòu)光電子器件的關(guān)鍵技術(shù)。然而 LLO后的GaN表面往往具有較大的粗糙度，而制作諧振腔結(jié)構(gòu)器件需要很高的表面平整度，因此需要對LLO后的GaN表面進行拋光。分別采用金剛石粉拋光液和膠粒二氧化硅拋光液進行機械拋光和化學機械拋光（CMP），并對比了兩種方法獲得的拋光結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)前者會在拋光后的GaN表面引入劃痕，而采用后者可以得到亞納米級平整度的表面。進一步的實驗結(jié)果表明，膠粒二氧化硅拋光液同樣適用于圖形化襯底外延片激光剝離后的GaN表面拋光。

激光剝離（LLO）； GaN； 化學機械拋光（CMP）；垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管（VSLED）；諧振腔發(fā)光二極管（RCLED）；垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）

來源出版物：半導體制造技術(shù)， 2014， 39（10）: 758-762

聯(lián)系郵箱：張保平，bzhang@xmu.edu.cn

自由空間光通信中光電子器件的現(xiàn)狀分析

王子龍

自由空間光通訊信技術(shù)擁有安裝快速和低投資以及保密性好等優(yōu)點，本文主要就對自由空間的光通訊中的光電子器件中的激光器和光電探測器以及光學濾波器的現(xiàn)狀進行了分析，通過分析發(fā)現(xiàn)半導體的激光器和CO2激光器會是以后的自由空間光通訊系統(tǒng)的主要的光源。

自由空間光通訊；激光器；光電探測器；光學濾波器

來源出版物：計算機光盤軟件與應用， 2014， 6: 284-285

類石墨烯二硫化鉬及其在光電子器件上的應用

湯鵬，肖堅堅，鄭超，等

由單層或幾層二硫化鉬構(gòu)成的類石墨烯二硫化鉬（graphene-like MoS2）是一種具有類似石墨烯結(jié)構(gòu)和性能的新型二維（2D）層狀化合物，近年來以其獨特的物理、化學性質(zhì)而成為新興的研究熱點。本文綜述了近年來類石墨烯二硫化鉬常見的幾種制備方法，包括以微機械力剝離、鋰離子插層和液相超聲法等為主的“自上而下”的剝離法，以及以高溫熱分解、水熱法等為主的“自下而上”的合成法；介紹了其常用的結(jié)構(gòu)表征方法，包括原子力顯微鏡（AFM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和拉曼光譜等；概述了類石墨烯二硫化鉬的紫外-可見（UV-Vis）吸收、熒光發(fā)射等基本光物理性質(zhì)及其相關(guān)機理；總結(jié)了類石墨烯二硫化鉬在二次電池、場效應晶體管、傳感器、有機電致發(fā)光二極管和電存儲等光電子器件領(lǐng)域的應用原理及其研究進展，展望了這類新型二維層狀化合物的研究前景。

類石墨烯二硫化鉬；二維層狀化合物；材料制備；結(jié)構(gòu)表征；光物理性質(zhì)；光電子器件

來源出版物：物理化學學報， 2013， 29（4）: 667-677

聯(lián)系郵箱：陳潤鋒，iamrfchen@njupt.edu.cn

調(diào)制型半導體激光器驅(qū)動電路設(shè)計

張超

半導體激光器以體積小、質(zhì)量輕、驅(qū)動功率和電流較低、效率高、工作壽命長、可直接調(diào)制、易于與各種光電子器件實現(xiàn)光電子集成及與半導體制造技術(shù)兼容、可大批量生產(chǎn)等特點得到了廣泛的研究與應用，研究和改進激光器驅(qū)動電路具有重要的意義。小功率可調(diào)諧半導體激光器對驅(qū)動電流有很高的要求，驅(qū)動電流的微小變化將直接導致其輸出光強的波動。為實現(xiàn)半導體激光器的穩(wěn)定功率輸出，基于電流負反饋原理設(shè)計包含慢啟動和限流保護電路的恒流驅(qū)動電路。在電路設(shè)計中盡可能利用簡單的器件和設(shè)計起到改善激光器正常工作的目的。在調(diào)制過程中分別利用運放與三極管的不同特性設(shè)計出了低頻低失真和高頻開關(guān)調(diào)制電路。利用兩級放大負反饋原理進行反饋電流的調(diào)整，降低閉環(huán)帶寬，增強了閉環(huán)負反饋的穩(wěn)定性。

半導體激光器；驅(qū)動電路；恒流源

來源出版物：光電技術(shù)應用， 2013， 28（6）: 71-73

Waveguide-integrated black phosphorus photodetector with high responsivity and low dark current

Youngblood， N； Chen， C； Koester， SJ； et al.

來源出版物：Nature Photonics， 2015， 9（4）: 247-252

聯(lián)系郵箱：Youngblood， N； moli@umn.edu

Recent advances in silicon-based passive and active optical interconnects

Subbaraman， H； Xu， XC； Hosseini， A； et al.

來源出版物：Optics Express， 2015， 23（3）: 2487-2511

聯(lián)系郵箱：Chen， RT， chen@ece.utexas.edu

Quantum cascade lasers: 20 years of challenges

Vitiello， MS； Scalari， G； Williams， B； et al.

來源出版物：Optics Express， 2015， 23（4）: 5167-5182

聯(lián)系郵箱：Vitiello， MS； miriam.vitiello@sns.it

Efficient blue organic light-emitting diodes employing thermally activated delayed fluorescence

Zhang， QS； Li， B； Huang， SP； et al.

來源出版物：Nature Photonics， 2014， 8（4）: 326-332

聯(lián)系郵箱：Zhang， QS； adachi@cstf.kyushu-u.ac.jp

來源出版物：Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators， Spectrometers，Detectors and Associated Equipment， 2013， 701: 1-6

聯(lián)系郵箱：Optics Express， 2014， 22（2）: 1277-1286

編輯：王微

We demonstrate mechanically flexible， organic light-emitting devices（OLED's） based on the nonpolymetricthin-filmmaterialstris-（8-hydroxyquinoline）aluminum（Alq3） and N，N'-diphenyl-N，

We report the integration of organic light emitting devices（OLED's） and amorphous Si（a-Si） thin-film transistors（TFT's） on both glass， and unbreakable and lightweight thin stainless steel foil substrates. The doped-polymer OLED's were built following fabrication of driver TFT's in a stacked structure. Due to the opacity of the steel substrate， top-emitting OLED structures were developed. It is shown that the a-Si TFT's provide adequate current levels to drive the OLED's at video brightness（similar to 100 cd/m2）. This work demonstrates that lightweight and rugged TFT backplanes with integrated OLED's are essential elements for robust and highly portable active-matrix emissive flat panel displays.

High-index-contrast， wavelength-scale structures are key to ultracompact integration of photonic integrated circuits. The fabrication of these nanophotonic structures in silicon-on-insulator using complementary metal-oxideseminconductor processing techniques， including deep ultraviolet lithography， was studied. It is concluded that this technology is capable of commercially manufacturing nanophotonic integrated circuits. The possibilities of photonic wires and photonic-crystal waveguides for photonicintegration are compared. It is shown that， with similar fabrication techniques， photonic wires perform at least an order of magnitude better than photonic-crystal waveguides with respect to propagation losses. Measurements indicate propagation losses as low as 0.24 dB/mm for photonic wires but 7.5 dB/mm for photonic-crystal waveguides.

The pace of the development of silicon photonics has quickened since 2004 due to investment by industry and government. Commercial state-of-the-art CMOS silicon-on-insulator（SOI） foundries are now being utilized in a crucial test of 1.55-μm monolithic optoelectronic（OE） integration， a test sponsored by the Defense Advanced Research Projects Agency（DARPA）. The preliminary results indicate that the silicon photonics are truly CMOS compatible. R&D groups have now developed 10-100-Gb/s electro-optic modulators， ultrafast Ge-on-Si photodetectors， efficient fiber-to-waveguide couplers， and Si Raman lasers. Electrically pumped silicon lasers are under intense investigation， with several approaches being tried； however， lasing has not yet been attained. The new paradigm for the Si-based photonic and optoelectric integrated circuits is that these chip-scale networks， when suitably designed， will operate at a wavelength anywhere within the broad spectral range of 1.2-100 μm， with cryocooling needed in some cases.

On-chip optical buffers based on waveguide delay lines might have significant implications for the development of optical interconnects in computer systems. Silicon-on-insulator（SOI） submicrometre photonic wire waveguides are used， because they can provide strong light confinement at the diffraction limit， allowing dramatic scaling of device size. Here we report on-chip optical delay lines based on such waveguides that consist of up to 100 microring resonators cascaded in either coupled-resonator or all-pass filter（APF） configurations. On-chip group delays exceeding 500 ps are demonstrated in a device with a footprint below 0.09 mm2. The trade-offs between resonantly enhanced group delay， device size， insertion loss and operational bandwidth are analysed for various delay-line designs. A large fractional group delay exceeding 10 bits is achieved for bit rates as high as 20 Gbps. Measurements of system-level metrics as bit error rates for different bit rates demonstrate error-free operation up to 5 Gbps.

On-chip optical buffers based on waveguide delay lines might have significant implications for the development of optical interconnects in computer systems. Silicon-on-insulator（SOI） submicrometre photonic wire waveguides are used， because they can provide strong light confinement at the diffraction limit， allowing dramatic scaling of device size. Here we report on-chip optical delay lines based on such waveguides that consist of up to 100 microring resonators cascaded in either coupled-resonator or all-pass filter（APF） configurations. On-chip group delays exceeding 500 ps are demonstrated in a device witha footprint below 0.09 mm2. The trade-offs between resonantly enhanced group delay， device size， insertion loss and operational bandwidth are analysed for various delayline designs. A large fractional group delay exceeding 10 bits is achieved for bit rates as high as 20 Gbps. Measurements of system-level metrics as bit error rates for different bit rates demonstrate error-free operation up to 5 Gbps.

The pace of the development of silicon photonics has quickened since 2004 due to investment by industry and government. Commercial state-of-the-art CMOS silicon-on- insulator（SOI） foundries are now being utilized in a crucial test of 1.55-μm monolithic optoelectronic（OE） integration， a test sponsored by the Defense Advanced Research Projects Agency（DARPA）. The preliminary results indicate that the silicon photonics are truly CMOS compatible. R&D groups have now developed 10-100-Gb/s electro-optic modulators， ultrafast Ge-on-Si photodetectors， efficient fiber-to-waveguide couplers， and Si Raman lasers. Electrically pumped silicon lasers are under intense investigation， with several approaches being tried； however， lasing has not yet been attained. The new paradigm for the Si-based photonic and optoelectric integrated circuits is that these chip-scale networks， when suitably designed， will operate at a wavelength anywhere within the broad spectral range of 1.2-100 μm， with cryocooling needed in some cases.

An electrically pumped light source on silicon is a key element needed for photonic integrated circuits on silicon. Here we report an electrically pumped AlGaInAs-silicon evanescent laser architecture where the laser cavity is defined solely by the silicon waveguide and needs no critical alignment to the III-V active material during fabrication via wafer bonding. This laser runs continuous-wave（c.w.） with a threshold of 65 mA， a maximum output power of 1.8 mW with a differential quantum efficiency of 12.7 % and a maximum operating temperature of 40 °C. This approach allows for 100's of lasers to be fabricated in one bonding step， making it suitable for high volume， low-cost， integration. By varying the silicon waveguide dimensions and the composition of the III-V layer， this architecture can be extended to fabricate other active devices on silicon such as optical amplifiers， modulators and photo-detectors.

Although graphene films have a strong potential to replace indium tin oxide anodes in organic light-emitting diodes（OLEDs）， to date， the luminous efficiency of OLEDs with graphene anodes has been limited by a lack of efficient methods to improve the low work function and reduce the sheet resistance of graphene films to the levels required for electrodes. Here， we fabricate flexible OLEDs by modifying the graphene anode to have a high work function and low sheet resistance， and thus achieve extremely high luminous efficiencies（37.2 lm W-1in fluorescent OLEDs， 102.7 lm W-1in phosphorescent OLEDs）， which are significantly higher than those of optimized devices with an indium tin oxide anode（24.1 lm W-1in fluorescent OLEDs， 85.6 lm W-1in phosphorescent OLEDs）. We also fabricate flexible white OLED lighting devices using the graphene anode. These results demonstrate the great potential of graphene anodes for use in a wide variety of high-performance flexible organic optoelectronics.

High-index-contrast，wavelength-scale structures are key to ultracompact integration of photonic integrated circuits. The fabrication of these nanophotonicstructures in silicon-on-insulator using complementary metal-oxide-seminconductorprocessingtechniques，including deep ultraviolet lithography， was studied. It is concluded that this technology is capable of commercially manufacturing nanophotonic integrated circuits. The possibilities of photonic wires and photonic-crystal waveguides for photonic integration are compared. It is shown that， with similar fabrication techniques， photonic wires perform at least an order of magnitude better than photonic-crystal waveguides with respect to propagation losses. Measurements indicate propagation losses as low as 0.24 dB/mm for photonic wires but 7.5 dB/mm for photonic-crystal waveguides.

We report the design and testing of an SOI-based photonic integrated circuit containing twodimensional membrane-type photonic crystal waveguides. The circuit comprises spot-size converters to efficiently couple light from a fiber into single-mode strip waveguides and butt-couplers to couple from strip waveguides to photonic crystal waveguides. Each optical interface was optimized to minimize back-reflections and reduce the Fabry-Perot noise. The transmission characteristics of each component are measured and record low propagation losses in photonic crystal waveguides of 24 dB/cm are reported. The combination of an efficient two-stage coupling scheme and utilization of ultra-long（up to 2 mm） photonic crystal waveguides reduces the uncertainty in determining the loss figure to 3 dB/cm.

Monolithic lasers on Si are ideal for highvolume and large-scale electronic-photonic integration. Ge is an interesting candidate owing to its pseudodirect gap properties and compatibility with Si complementary metal oxide semiconductor technology. Recently we have demonstratedroom-temperaturephotoluminescence，electroluminescence， and optical gain from the direct gap transition of band-engineered Ge-on-Si using tensile strain and n-type doping. Here we report what we believe to be the first experimental observation of lasing from the direct gap transition of Ge-on-Si at room temperature using an edge-emitting waveguide device. The emission exhibited a gain spectrum of 1590-1610 nm， line narrowing and polarization evolution from a mixed TE/TM to predominantly TE with increasing gain， and a clear threshold behavior.

A review of nanoplasmonics is given. This includes fundamentals， nanolocalization of optical energy and hot spots， ultrafast nanoplasmonics and control of the spatiotemporal nanolocalization of optical fields， and quantum nanoplasmonics（spaser and gain-assisted plasmonics）. This article reviews both fundamental theoretical ideas in nanoplasmonics and selected experimental developments. It is designed both for specialists in the field and general physics readership.

Integrated optical circuits based on siliconon-insulator technology are likely to become the mainstay of the photonics industry. Over recent years an impressive range of silicon-on-insulator devices has been realized，including waveguides， filters and photonic-crystal devices. However， silicon-based all-optical switching is still challenging owing to the slow dynamics of two-photon generated free carriers. Here we show that silicon-organic hybrid integration overcomes such intrinsic limitations by combining the best of two worlds， using mature CMOS processing to fabricate the waveguide， and molecular beam deposition to cover it with organic molecules that efficientlymediateall-opticalinteractionwithout introducing significant absorption. We fabricate a 4-mm-long silicon-organic hybrid waveguide with a record nonlinearity coefficient of gamma approximate to 1 × 105W-1km-1and perform all-optical demultiplexing of 170.8 Gb s-1to 42.7 Gb s-1. This is—to the best of our knowledge—the fastest silicon photonic optical signal processing demonstrated.

In 2003 Bergman and Stockman introduced the spaser， a quantum amplifier of surface plasmons by stimulated emission of radiation. They argued that by exploiting a metal/ dielectric composite medium it should be possible to construct a nanodevice， where a strong coherent field is built up in a spatial region much smaller than the wavelength. V-shaped metallic structures，combined with semiconductor quantum dots， were discussed as a possible realization of the spaser. Here we introduce a further development of the spaser concept. We show that by combining the metamaterial and spaser ideas one can create a narrow-diversion coherent source of electromagnetic radiation that is fuelled by plasmonic oscillations. We argue that a two-dimensional array of a certain class of plasmonic resonators supporting coherent current excitations with high quality factor can act as a planar source of spatially and temporally coherent radiation， which we term a ‘lasing spaser'.

Layered two-dimensional materials have demonstrated novel optoelectronic properties and are well suited for integration in planar photonic circuits. Graphene，for example， has been utilized for wideband photodetection. However， because graphene lacks a bandgap， graphene photodetectors suffer from very high dark current. In contrast， layered black phosphorous， the latest addition to the family of two-dimensional materials， is ideal for photodetector applications due to its narrow but finite bandgap. Here， we demonstrate a gated multilayer black phosphorus photodetector integrated on a silicon photonic waveguide operating in the near-infrared telecom band. In a significant advantage over graphene devices， black phosphorus photodetectors can operate under bias with very low dark current and attain an intrinsic responsivity up to 135 mAW-1and 657 mAW-1in 11.5-nm- and 100-nm-thick devices， respectively， at room temperature. The photocurrent is dominated by the photovoltaic effect with a high response bandwidth exceeding 3 GHz.

Silicon photonics has experienced phenomenal transformations over the last decade. In this paper， we present some of the notable advances in silicon-based passive and active optical interconnect components， and highlight some of our key contributions. Light is also cast on few other parallel technologies that are working in tandem with silicon-based structures， and providing unique functions not achievable with any single system acting alone. With an increasing utilization of CMOS foundries for silicon photonics fabrication， a viable path for realizing extremely low-cost integrated optoelectronics has been paved. These advances are expected to benefit several application domains in the years to come， including communication networks， sensing， and nonlinear systems.

We review the most recent technological and application advances of quantum cascade lasers，underlining the present milestones and future directions from the Mid-infrared to the Terahertz spectral range. Challenges and developments， which are the subject of the contributions to this focus issue， are also introduced.

Organic light-emitting diodes（OLEDs）employing thermally activated delayed fluorescence（TADF） have emerged as cheaper alternatives to highperformance phosphorescent OLEDs with noble-metalbased dopants. However， the efficiencies of blue TADF OLEDs are still low at high luminance， limiting full-colour display. Here， we report a blue OLED containing a 9，10-dihydroacridine/diphenyl sulphone derivative that has a comparable performance to today's best phosphorescent OLEDs. The device offers an external quantum efficiency of 19.5% and reduced efficiency roll-off characteristics at high luminance. Through computational simulation， we identified six pretwisted intramolecular chargetransfer（CT） molecules with small singlet-triplet CT state splitting but different energy relationships between（CT）-C-3 and locally excited triplet（（LE）-L-3） states. Systematic comparison of their excited-state dynamics revealed that CT molecules with a large twist angle can emit efficient and short-lifetime（a few microseconds） TADF when the emission peak energy is high enough and the（LE）-L-3 state is higher than the（CT）-C-3 state.

Bridging the gap between optical fibers and silicon photonic integrated circuits

Zaoui， WS； Kunze， A； Vogel， W； et al.

We present a rigorous approach for designing a highly efficient coupling between single mode optical fibers and silicon nanophotonic waveguides based on diffractive gratings. The structures are fabricated on standard SOI wafers in a cost-effective CMOS process flow. The measured coupling efficiency reaches -1.08 dB and a record value of -0.62 dB in the 1550 nm telecommunication window using a uniform and a nonuniform grating， respectively， with a 1dB-bandwidth larger than 40 nm.