浙江大学研制出全球首个电驱动钙钛矿激光器

电驱动钙钛矿激光器结构

手机的人脸识别、汽车的雷达测距、医院的激光手术......这些新技术的高速发展都离不开激光。激光具有单色性强、方向性好、能量高度集中等优势，成为推动光电信息产业发展的关键技术之一。

近日，浙江大学光电科学与工程学院/海宁国际联合学院狄大卫教授、邹晨研究员和赵保丹教授团队研制了世界上第一个电驱动钙钛矿激光器。这是一个包含两个光学微腔的“双腔”激光器，它将低阈值钙钛矿单晶微腔子单元与高功率微腔钙钛矿LED子单元集成于同一个器件，形成了一个垂直堆叠的多层结构。这种新型半导体激光器，其发射激光所需的最小电流(阈值电流)为 92A/cm²，比最好的有机半导体激光器还低一个数量级，且表现出较好的稳定性，并能在36.2 MHz的带宽下实现快速调制，有望应用于片上数据传输、计算和生物医学等领域。

相关研究研究成果以“Electrically driven lasing from a dual-cavity perovskite device”为题，发表在近期的《自然》杂志上。邹晨是论文第一作者，狄大卫、邹晨、赵保丹为论文通讯作者，浙江大学为该研究唯一完成单位。

创新双光学微腔设计

激光器种类繁多，其中半导体激光器是信息技术领域的重要光源，但其传统制造工艺通常工序复杂且成本高昂。当前，钙钛矿半导体、有机半导体和量子点等新型激光材料展现出显著优势。它们可通过溶液法制备，不仅加工成本相对较低，而且更容易集成到可大规模量产的硅基光电子平台上。在这些材料中，钙钛矿半导体因其发射光谱可调(可实现各种色彩)，且在光泵浦(即光驱动)条件下能实现极低的激光发射阈值，具有十分优异的技术前景。

驱动激光器工作所需的外部能量源主要包括电和光两种形式。过去十余年间，全球学者在光驱动钙钛矿激光方向取得了系列重要进展，然而，光驱动通常需要借助体积庞大的外部光源(如脉冲激光器)，它使器件的适用范围十分有限。研发电驱动钙钛矿激光器，是钙钛矿光电子学领域一直以来的最大挑战，也是全球众多科研团队共同追寻的目标。

“为了实现电驱动激光发射，我们发明了一种集成式的双腔结构。我们的方案是，将高功率微腔钙钛矿LED子单元与高质量单晶钙钛矿微腔子单元紧凑地集成在同一器件中”，狄大卫介绍。该器件将微腔钙钛矿LED在电激励下产生的大量光子高效地耦合到第二个微腔中，并激发单晶钙钛矿增益介质，产生激光。

“尽管集成式电驱动的原理本身并不复杂，但在着手制备激光器时，我们还是经历了不少挑战“，邹晨说。团队此前没有顶发射微腔器件的制备经验，一切都要从零开始。从器件结构的设计优化，到制备工艺的摸索调试，再到测试系统的搭建验证，每一步都需要反复试错、逐步推进。当这些难题被逐一攻克，在电驱动下，团队成员们第一次观测到期待已久的激光光谱时，难以言喻的喜悦与振奋油然而生。

高效节能，高速调制

这种集成式激光器，包含可高效耦合的两个光学微腔(耦合效率达82.7%)。在电脉冲下，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。这个光功率被有效传递到单晶钙钛矿微腔中，并支持激光发射。

电驱动钙钛矿激光器性能

“这种新型半导体激光器已经展现出重要的技术潜力“，狄大卫介绍。在电激发条件下，钙钛矿激光器的激光阈值为92 A/cm²，比最好的电驱动有机激光器还要低一个数量级。而且，电驱动钙钛矿激光器表现出比有机激光器更优异的可重复性和稳定性，能在36.2 MHz的带宽下实现快速调制。

电驱动钙钛矿激光器可用于光学数据传输等多种应用场景，还可用作集成光子芯片和可穿戴设备中的相干光源。团队发现，该器件能在36.2 MHz带宽下通过电脉冲进行快速调制。这种调制速率是通过减小器件有效面积以实现最小电阻电容(RC)常数，并使用硅衬底改善散热实现的。赵保丹说：“在未来，我们还需要克服微腔钙钛矿LED子单元纳秒级的自发辐射寿命限制，以实现器件的GHz级高速运行。”

“从当前的‘集成式泵浦’架构过渡到更为简洁的激光二极管结构，将是下一步研究工作的关键，因为这能实现更紧凑且可规模化的光电应用”，狄大卫说。在将这种新型半导体激光技术推向实际应用的进程中，团队已经做好准备以迎接新的重大挑战。

审核编辑 黄宇