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室温下最小尺寸全介质微纳激光问世

中国科学报 2021-04-29 作者:黄辛

  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,以激光技术小型化为牵引,基于新型增益介质发光原理与机制的探索,突破了传统衍射极限的限制,首次将全介质室温亚波长微纳激光器件的物理尺寸推进到50纳米,这是目前已知的最小尺寸的全介质微纳激光。该研究成果近日发表于《美国化学学会—纳米》。 

  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,传统光子材料的光学增益有限,尤其是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,增益难以抗衡激光器小型化进程中造成的高损耗,导致光子器件尺寸难以降低,成为实现光电集成芯片的一大阻碍。因此,研制出更小尺寸、更高增益、更低损耗的新型微纳激光器件,是光子芯片技术实现重大突破要解决的关键问题之一。

  为了克服这种制约,冷雨欣、杜鹃研究团队与合作者研发出了一种尺寸仅为50纳米的新型深亚波长钙钛矿微纳激光器。研究人员使用飞秒瞬态吸收光谱揭示了新型准二维钙钛矿薄膜增益介质的发光动力学机制,发现高达558每厘米的净增益寿命约50皮秒,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,结合40纳米的增益介质,设计优化并最终采用10纳米厚的紫外胶及二氧化硅基底构成的超简“三明治”结构,最终在室温下实现了激光尺寸仅为50纳米的单模皮秒激光稳定运转。即便是在深亚波长尺度下,该微纳激光的品质因子和线偏振度分别高达1635和81%,双光子及单光子激发阈值仅为143和10.5微焦每平方厘米。这些指标不仅在钙钛矿垂直腔面发射激光器当中居于前列,在整个全介质微纳激光和等离激元纳米激光器领域也是难以想象的。

  2018年,该团队研究人员首次将室温运转的全介质微纳激光的尺寸发展到了400纳米的亚波长尺度,此次工作更是将此类激光的尺寸进一步发展到了深亚波长尺度。杜鹃表示,结合该工作中率先发展的简单“三明治”结构,将有望进一步推动钙钛矿激光器的发展进程和解决芯片上光电互联缺乏片上光源的“瓶颈”。

  该工作得到国家自然科学基金、中科院先导B类专项、上海市优秀学术/技术带头人计划、中国博士后科学基金面上资助等项目的支持。

  相关论文信息:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10647 

责任编辑:王超

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