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量級，且表現出較好的穩(wěn)定性，并能在36.2 MHz的帶寬下實現快速調制，有望應用于片上數據傳輸、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（可實現各種色彩），且在光泵浦（即光驅動）條件下能實現極低的激光發(fā)射閾值，具有十分優(yōu)異的技術前景。

驅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，全球學者在光驅動鈣鈦礦激光方向取得了系列重要進展，然而，光驅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。

“為了實現電驅動激光發(fā)射，我們發(fā)明了一種集成式的雙腔結構。我們的方案是，將高功率微腔鈣鈦礦LED子單元與高質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，產生激光。

圖片:139a363a-ac72-4baa-b9c0-33e660c950e3.jpg

電驅動鈣鈦礦激光器結構

  “盡管集成式電驅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驗，一切都要從零開始。從器件結構的設計優(yōu)化，到制備工藝的摸索調試，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。

圖片:6c69eb7e-cf7f-4c35-adb6-dc30fc250fe2.png

電驅動鈣鈦礦激光器性能

“這種新型半導體激光器已經展現出重要的技術潛力“，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，比最好的電驅動有機激光器還要低一個數量級。而且，電驅動鈣鈦礦激光器表現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的帶寬下實現快速調制。

電驅動鈣鈦礦激光器可用于光學數據傳輸等多種應用場景，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，該器件能在36.2 MHz帶寬下通過電脈沖進行快速調制。這種調制速率是通過減小器件有效面積以實現最小電阻電容（RC）常數，并使用硅襯底改善散熱實現的。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構，將是下一步研究工作的關鍵，因為這能實現更緊湊且可規(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實際應用的進程中，團隊已經做好準備以迎接新的重大挑戰(zhàn)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09457-2