中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室冷雨欣、杜鵑研究團(tuán)隊(duì)與華中科技大學(xué)教授唐江、深圳大學(xué)教授張晗團(tuán)隊(duì)合作，以激光技術(shù)小型化為牽引，基于對(duì)新型增益介質(zhì)發(fā)光原理與機(jī)制的探索，突破了傳統(tǒng)衍射極限的限制，首次將全介質(zhì)室溫亞波長(zhǎng)微納激光器件的物理尺寸推進(jìn)到50納米，這是目前已知的最小尺寸的全介質(zhì)微納激光器。該成果近日發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)—納米》。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以晶體管尺寸縮減為核心的摩爾定律將難以持續(xù)，光電集成甚至是用光子替代電子形成“片上光互聯(lián)”進(jìn)行信息的處理和傳送成為趨勢(shì)。然而，傳統(tǒng)光子材料的光學(xué)增益有限，難以抗衡激光器小型化進(jìn)程中造成的高損耗，導(dǎo)致光子器件尺寸難以降低，成為實(shí)現(xiàn)光電集成芯片的一大阻礙。

為了克服這種制約，研究人員研發(fā)出了一種尺寸僅為50納米的新型深亞波長(zhǎng)鈣鈦礦微納激光器。他們使用飛秒瞬態(tài)吸收光譜揭示了新型準(zhǔn)二維鈣鈦礦薄膜增益介質(zhì)的發(fā)光動(dòng)力學(xué)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)高達(dá)558每厘米的凈增益壽命約50皮秒，并分析了超快級(jí)聯(lián)能量傳輸和單線態(tài)及三線態(tài)激子等對(duì)增益的貢獻(xiàn)。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化并采用10納米厚的紫外膠及二氧化硅基底構(gòu)成的超簡(jiǎn)“三明治”結(jié)構(gòu)，在室溫下實(shí)現(xiàn)了激光尺寸僅為50納米的單模皮秒激光穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。即便是在深亞波長(zhǎng)尺度下，該微納激光的品質(zhì)因子和線偏振度也分別高達(dá)1635和81%，雙光子及單光子激發(fā)閾值僅為143和10.5微焦每平方厘米。這些指標(biāo)在鈣鈦礦垂直腔面發(fā)射激光器，甚至整個(gè)全介質(zhì)微納激光和等離激元納米激光器領(lǐng)域都居于前列。

杜鵑表示，結(jié)合該工作發(fā)展的簡(jiǎn)單“三明治”結(jié)構(gòu)，將有望進(jìn)一步推動(dòng)鈣鈦礦激光器的發(fā)展和解決芯片上光電互聯(lián)缺乏片上光源的“瓶頸”。

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