92A/cm²阈值、36.2MHz带宽：钙钛矿激光器新飞跃

电子发烧友网综合报道 2025年8月，浙江大学光电科学与工程学院教授狄大卫、邹晨研究员和赵保丹教授团队在《自然》期刊上发表了一项颠覆性成果——全球首个电驱动钙钛矿激光器正式问世。这一突破不仅攻克了钙钛矿光电子学领域长期存在的技术难题，更为下一代光通信、集成光子芯片和可穿戴设备提供了全新的光源解决方案。

技术背景：从光驱动到电驱动的跨越

半导体激光器是信息技术领域的核心光源，广泛应用于光通信、数据存储和生物传感等领域。然而，传统半导体激光器的制造工艺复杂、成本高昂，且难以与硅基光电子平台兼容。近年来，钙钛矿半导体、有机半导体和量子点等新型材料因其溶液法制备、低成本和光谱可调等优势，成为光电子领域的研究热点。其中，钙钛矿半导体在光泵浦条件下可实现极低的激光发射阈值，且发射光谱覆盖可见光到近红外波段，技术前景尤为广阔。

然而，驱动激光器所需的外部能量源主要分为电和光两种形式。过去十余年，全球科研团队在光驱动钙钛矿激光领域取得了一系列进展，但光驱动需要依赖体积庞大的外部光源（如脉冲激光器），严重限制了器件的实用性和集成度。因此，研发电驱动钙钛矿激光器成为该领域“皇冠上的明珠”，也是全球科研团队竞相追逐的目标。

创新结构：双腔集成实现高效耦合

狄大卫团队提出的解决方案是“集成式双腔结构”。该器件将高功率微腔钙钛矿LED子单元与低阈值钙钛矿单晶微腔子单元垂直堆叠，形成一个多层结构。在电脉冲激励下，微腔钙钛矿LED子单元产生约2.5×10⁴mW/cm²的峰值辐射功率密度（相当于约2.0×10⁵W/sr/m²的超高辐亮度），并通过82.7%的高效耦合将光子注入单晶钙钛矿微腔，激发增益介质产生激光。

这一设计的核心优势在于：
低阈值电流：电驱动下激光阈值仅为92A/cm²，比性能最优的电驱动有机激光器低一个数量级；
高稳定性：器件在空气中工作半衰期达1.8小时（10Hz下6.4×10⁴个电压脉冲），远超现有电驱动有机激光器；
快速调制：通过减小器件有效面积以降低电阻电容常数，并采用硅衬底改善散热，实现了36.2MHz带宽下的电脉冲快速调制。

研究团队指出，电驱动钙钛矿激光器的成功源于三大技术突破：
双腔耦合机制：通过精确控制光学微腔的间距和材料折射率，实现了光子从LED子单元到单晶微腔的高效传输；
材料优化：采用溶液法制备的钙钛矿单晶微腔具有极低的缺陷密度，显著降低了激光发射阈值；
热管理设计：硅衬底的使用有效分散了电脉冲产生的热量，避免了器件因过热而失效。

实验数据显示，该激光器在36.2MHz调制带宽下可稳定输出激光，且光谱线宽低于0.1nm，满足高精度光学数据传输的需求。此外，其垂直堆叠结构仅需微米级空间，为未来与CMOS工艺兼容的片上光子集成提供了可能。

写在最后

电驱动钙钛矿激光器的问世给多个领域创造了革命性机遇。在光学数据传输领域，凭借其低能耗和高速调制特性，该激光器能够显著提升数据中心的光互连效率；在集成光子芯片方面，作为相干光源，它可取代传统分立式激光器，助力光子芯片朝着更小尺寸、更低成本的方向发展；在可穿戴设备领域，柔性基底上的钙钛矿激光器有望应用于生物传感和健康监测，像非侵入式血糖检测这类应用就可能得以实现。

研究团队已与多家半导体企业展开合作，探索器件的量产工艺。赵保丹教授表示：“未来需进一步克服微腔钙钛矿LED子单元纳秒级自发辐射寿命的限制，目标是实现GHz级高速运行。”而狄大卫教授则指出，从当前的“集成式泵浦”架构向激光二极管结构的演进，将是规模化应用的关键。

目前，团队正致力于优化器件的寿命和可靠性，并探索其在量子通信和生物成像等领域的应用。随着技术的成熟，电驱动钙钛矿激光器有望成为下一代光电子技术的核心组件，推动信息产业进入全新的“光子时代”。