中科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，基于对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。该成果近日发表于《美国化学会—纳米》。
随着信息技术的发展，以晶体管尺寸缩减为核心的摩尔定律将难以持续，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趋势。然而，传统光子材料的光学增益有限，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。
为了克服这种制约，研究人员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。他们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。
该团队设计优化并采用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，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也分别高达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。这些指标在钙钛矿垂直腔面发射激光器，甚至整个全介质微纳激光和等离激元纳米激光器领域都居于前列。
杜鹃表示，结合该工作发展的简单“三明治”结构，将有望进一步推动钙钛矿激光器的发展和解决芯片上光电互联缺乏片上光源的“瓶颈”。
相关论文信息：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10647
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