電驅(qū)動鈣鈦礦激光器結(jié)構(gòu)

手機(jī)的人臉識別、汽車的雷達(dá)測距、醫(yī)院的激光手術(shù)......這些新技術(shù)的高速發(fā)展都離不開激光。激光具有單色性強(qiáng)、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(guān)鍵技術(shù)之一。

近日，浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院/海寧國際聯(lián)合學(xué)院狄大衛(wèi)教授、鄒晨研究員和趙保丹教授團(tuán)隊(duì)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(xué)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(gòu)。這種新型半導(dǎo)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(jī)半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)快速調(diào)制，有望應(yīng)用于片上數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

相關(guān)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(xué)為該研究唯一完成單位。

創(chuàng)新雙光學(xué)微腔設(shè)計(jì)

激光器種類繁多，其中半導(dǎo)體激光器是信息技術(shù)領(lǐng)域的重要光源，但其傳統(tǒng)制造工藝通常工序復(fù)雜且成本高昂。當(dāng)前，鈣鈦礦半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體和量子點(diǎn)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(dǎo)體因其發(fā)射光譜可調(diào)(可實(shí)現(xiàn)各種色彩)，且在光泵浦(即光驅(qū)動)條件下能實(shí)現(xiàn)極低的激光發(fā)射閾值，具有十分優(yōu)異的技術(shù)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(jìn)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(xué)領(lǐng)域一直以來的最大挑戰(zhàn)，也是全球眾多科研團(tuán)隊(duì)共同追尋的目標(biāo)。

“為了實(shí)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(gòu)。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(fù)雜，但在著手制備激光器時(shí)，我們還是經(jīng)歷了不少挑戰(zhàn)“，鄒晨說。團(tuán)隊(duì)此前沒有頂發(fā)射微腔器件的制備經(jīng)驗(yàn)，一切都要從零開始。從器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(yàn)證，每一步都需要反復(fù)試錯、逐步推進(jìn)。當(dāng)這些難題被逐一攻克，在電驅(qū)動下，團(tuán)隊(duì)成員們第一次觀測到期待已久的激光光譜時(shí)，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(xué)微腔(耦合效率達(dá)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(dāng)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(dǎo)體激光器已經(jīng)展現(xiàn)出重要的技術(shù)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(jī)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(jī)激光器更優(yōu)異的可重復(fù)性和穩(wěn)定性，能在36.2 MHz的帶寬下實(shí)現(xiàn)快速調(diào)制。

電驅(qū)動鈣鈦礦激光器可用于光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾N應(yīng)用場景，還可用作集成光子芯片和可穿戴設(shè)備中的相干光源。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，該器件能在36.2 MHz帶寬下通過電脈沖進(jìn)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(shí)現(xiàn)最小電阻電容(RC)常數(shù)，并使用硅襯底改善散熱實(shí)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(shí)現(xiàn)器件的GHz級高速運(yùn)行。”

“從當(dāng)前的‘集成式泵浦’架構(gòu)過渡到更為簡潔的激光二極管結(jié)構(gòu)，將是下一步研究工作的關(guān)鍵，因?yàn)檫@能實(shí)現(xiàn)更緊湊且可規(guī)模化的光電應(yīng)用”，狄大衛(wèi)說。在將這種新型半導(dǎo)體激光技術(shù)推向?qū)嶋H應(yīng)用的進(jìn)程中，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)做好準(zhǔn)備以迎接新的重大挑戰(zhàn)。

審核編輯 黃宇