中科院上海光學(xué)精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室冷雨欣、杜鵑研究團隊與華中科技大學(xué)教授唐江、深圳大學(xué)教授張晗團隊合作，以激光技術(shù)小型化為牽引，基于對新型增益介質(zhì)發(fā)光原理與機制的探索，突破了傳統(tǒng)衍射極限的限制，首次將全介質(zhì)室溫亞波長微納激光器件的物理尺寸推進到50納米，這是目前已知的最小尺寸的全介質(zhì)微納激光器。該成果近日發(fā)表于《美國化學(xué)會—納米》。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以晶體管尺寸縮減為核心的摩爾定律將難以持續(xù)，光電集成甚至是用光子替代電子形成“片上光互聯(lián)”進行信息的處理和傳送成為趨勢。然而，傳統(tǒng)光子材料的光學(xué)增益有限，難以抗衡激光器小型化進程中造成的高損耗，導(dǎo)致光子器件尺寸難以降低，成為實現(xiàn)光電集成芯片的一大阻礙。

為了克服這種制約，研究人員研發(fā)出了一種尺寸僅為50納米的新型深亞波長鈣鈦礦微納激光器。他們使用飛秒瞬態(tài)吸收光譜揭示了新型準二維鈣鈦礦薄膜增益介質(zhì)的發(fā)光動力學(xué)機制，發(fā)現(xiàn)高達558每厘米的凈增益壽命約50皮秒，并分析了超快級聯(lián)能量傳輸和單線態(tài)及三線態(tài)激子等對增益的貢獻。

該團隊設(shè)計優(yōu)化并采用10納米厚的紫外膠及二氧化硅基底構(gòu)成的超簡“三明治”結(jié)構(gòu)，在室溫下實現(xiàn)了激光尺寸僅為50納米的單模皮秒激光穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。即便是在深亞波長尺度下，該微納激光的品質(zhì)因子和線偏振度也分別高達1635和81%，雙光子及單光子激發(fā)閾值僅為143和10.5微焦每平方厘米。這些指標在鈣鈦礦垂直腔面發(fā)射激光器，甚至整個全介質(zhì)微納激光和等離激元納米激光器領(lǐng)域都居于前列。

杜鵑表示，結(jié)合該工作發(fā)展的簡單“三明治”結(jié)構(gòu)，將有望進一步推動鈣鈦礦激光器的發(fā)展和解決芯片上光電互聯(lián)缺乏片上光源的“瓶頸”。

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