中国科学家研制出室温下最小尺寸全介质微纳激光器件

shuszhao · 发表于 2021-5-2 19:45:02

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近日，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室冷雨欣、杜鹃研究团队，与华中科技大学教授唐江、深圳大学教授张晗团队合作，以激光小型化为牵引，基于新型增益介质发光原理与机制的探索，首次将室温亚波长微纳激光器件的尺寸推进到50纳米，这是目前已知的最小尺寸的全介质微纳激光。相关研究成果发表在《美国化学学会—纳米》（ACS Nano）上。
随着信息技术的发展，当前半导体技术集成化发展已趋近瓶颈，以晶体管尺寸缩减为核心的摩尔定律即将难以持续，光电集成甚至是用光子替代电子形成“片上光互联”进行信息的处理和传送成为一种必然趋势。光信息处理能在减少能耗的同时将数据传输速度提高千倍，但是光子比电子更难掌控，如何在纳米尺寸高度集成的芯片上像操纵电子那样实现对光子的操控成为非常关键的一步。
然而，当接近亚波长或深亚波长尺度时，微型激光器的最小尺寸和性能之间存在一个基本的平衡。为了克服这种权衡，冷雨欣、杜鹃研究团队与合作者研发了一种激光尺寸仅为~50纳米的新型亚波长钙钛矿微纳激光器。准二维钙钛矿具有强的束缚电子-空穴对（激子）和一个天然的能级梯度，利于激子在最低能带隙量子阱聚集，从而实现粒子数反转。研究使用飞秒瞬态吸收光谱揭示了钙钛矿薄膜增益介质的发光动力学机制，发现高达558cm-1的净增益寿命约50ps，并分析了超快级联能量传输和单线态及三线态激子等对增益的贡献。受其优异增益特性的启发，科研人员结合40 纳米的增益介质，采用10 纳米厚的紫外胶及SiO2基底构成的超简“三明治”构造，在室温下实现了激光尺寸仅为50 纳米的单模皮秒激光发射，且其线偏振度高达81%，双光子及单光子激发阈值仅为~143μJ/cm2和10.5μJ/cm2。该激光器在4.8×106个飞秒激光脉冲持续激发下，仍表现出良好的稳定性。特别是在亚波长尺度下，其品质因子高达1635，在钙钛矿垂直腔面发射激光器当中居于前列，并在传统全介质微纳激光中表现优异。

2018年，上海光机所首次将钙钛矿微纳激光的尺寸发展到亚波长尺度（ACS Nano 2018, 12, 6, 5923–5931），此次工作将此类激光的尺寸进一步发展到深亚波长尺度，结合该研究中率先发展的简单“三明治”结构，有望推动钙钛矿激光器的发展进程和片上集成小型化光源的应用。
研究工作得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项（B类）、上海市优秀学术/技术带头人计划等的支持。

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准二维钙钛矿薄膜发光动力学及激光特性