電驅(qū)動鈣鈦礦激光器結(jié)構

手機的人臉識別、汽車的雷達測距、醫(yī)院的激光手術......這些新技術的高速發(fā)展都離不開激光。激光具有單色性強、方向性好、能量高度集中等優(yōu)勢，成為推動光電信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵技術之一。

近日，浙江大學光電科學與工程學院/海寧國際聯(lián)合學院狄大衛(wèi)教授、鄒晨研究員和趙保丹教授團隊研制了世界上第一個電驅(qū)動鈣鈦礦激光器。這是一個包含兩個光學微腔的“雙腔”激光器，它將低閾值鈣鈦礦單晶微腔子單元與高功率微腔鈣鈦礦LED子單元集成于同一個器件，形成了一個垂直堆疊的多層結(jié)構。這種新型半導體激光器，其發(fā)射激光所需的最小電流(閾值電流)為 92A/cm2，比最好的有機半導體激光器還低一個數(shù)量級，且表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，并能在36.2 MHz的帶寬下實現(xiàn)快速調(diào)制，有望應用于片上數(shù)據(jù)傳輸、計算和生物醫(yī)學等領域。

相關研究研究成果以“Electrically driven lasing from a dual-cavity perovskite device”為題，發(fā)表在近期的《自然》雜志上。鄒晨是論文第一作者，狄大衛(wèi)、鄒晨、趙保丹為論文通訊作者，浙江大學為該研究唯一完成單位。

創(chuàng)新雙光學微腔設計

激光器種類繁多，其中半導體激光器是信息技術領域的重要光源，但其傳統(tǒng)制造工藝通常工序復雜且成本高昂。當前，鈣鈦礦半導體、有機半導體和量子點等新型激光材料展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。它們可通過溶液法制備，不僅加工成本相對較低，而且更容易集成到可大規(guī)模量產(chǎn)的硅基光電子平臺上。在這些材料中，鈣鈦礦半導體因其發(fā)射光譜可調(diào)(可實現(xiàn)各種色彩)，且在光泵浦(即光驅(qū)動)條件下能實現(xiàn)極低的激光發(fā)射閾值，具有十分優(yōu)異的技術前景。

驅(qū)動激光器工作所需的外部能量源主要包括電和光兩種形式。過去十余年間，全球?qū)W者在光驅(qū)動鈣鈦礦激光方向取得了系列重要進展，然而，光驅(qū)動通常需要借助體積龐大的外部光源(如脈沖激光器)，它使器件的適用范圍十分有限。研發(fā)電驅(qū)動鈣鈦礦激光器，是鈣鈦礦光電子學領域一直以來的最大挑戰(zhàn)，也是全球眾多科研團隊共同追尋的目標。

“為了實現(xiàn)電驅(qū)動激光發(fā)射，我們發(fā)明了一種集成式的雙腔結(jié)構。我們的方案是，將高功率微腔鈣鈦礦LED子單元與高質(zhì)量單晶鈣鈦礦微腔子單元緊湊地集成在同一器件中”，狄大衛(wèi)介紹。該器件將微腔鈣鈦礦LED在電激勵下產(chǎn)生的大量光子高效地耦合到第二個微腔中，并激發(fā)單晶鈣鈦礦增益介質(zhì)，產(chǎn)生激光。

“盡管集成式電驅(qū)動的原理本身并不復雜，但在著手制備激光器時，我們還是經(jīng)歷了不少挑戰(zhàn)“，鄒晨說。團隊此前沒有頂發(fā)射微腔器件的制備經(jīng)驗，一切都要從零開始。從器件結(jié)構的設計優(yōu)化，到制備工藝的摸索調(diào)試，再到測試系統(tǒng)的搭建驗證，每一步都需要反復試錯、逐步推進。當這些難題被逐一攻克，在電驅(qū)動下，團隊成員們第一次觀測到期待已久的激光光譜時，難以言喻的喜悅與振奮油然而生。

高效節(jié)能，高速調(diào)制

這種集成式激光器，包含可高效耦合的兩個光學微腔(耦合效率達82.7%)。在電脈沖下，微腔鈣鈦礦LED子單元產(chǎn)生約2.5×104mW/cm2的峰值輻射功率密度，相當于約2.0×105W/sr/m2的超高輻亮度。這個光功率被有效傳遞到單晶鈣鈦礦微腔中，并支持激光發(fā)射。

電驅(qū)動鈣鈦礦激光器性能

“這種新型半導體激光器已經(jīng)展現(xiàn)出重要的技術潛力“，狄大衛(wèi)介紹。在電激發(fā)條件下，鈣鈦礦激光器的激光閾值為92 A/cm2，比最好的電驅(qū)動有機激光器還要低一個數(shù)量級。而且，電驅(qū)動鈣鈦礦激光器表現(xiàn)出比有機激光器更優(yōu)異的可重復性和穩(wěn)定性，能在36.2 MHz的帶寬下實現(xiàn)快速調(diào)制。

電驅(qū)動鈣鈦礦激光器可用于光學數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾N應用場景，還可用作集成光子芯片和可穿戴設備中的相干光源。團隊發(fā)現(xiàn)，該器件能在36.2 MHz帶寬下通過電脈沖進行快速調(diào)制。這種調(diào)制速率是通過減小器件有效面積以實現(xiàn)最小電阻電容(RC)常數(shù)，并使用硅襯底改善散熱實現(xiàn)的。趙保丹說：“在未來，我們還需要克服微腔鈣鈦礦LED子單元納秒級的自發(fā)輻射壽命限制，以實現(xiàn)器件的GHz級高速運行。”

“從當前的‘集成式泵浦’架構過渡到更為簡潔的激光二極管結(jié)構，將是下一步研究工作的關鍵，因為這能實現(xiàn)更緊湊且可規(guī)模化的光電應用”，狄大衛(wèi)說。在將這種新型半導體激光技術推向?qū)嶋H應用的進程中，團隊已經(jīng)做好準備以迎接新的重大挑戰(zhàn)。

審核編輯 黃宇