電子發(fā)燒友網(wǎng)綜合報(bào)道 2025年8月，浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院教授狄大衛(wèi)、鄒晨研究員和趙保丹教授團(tuán)隊(duì)在《自然》期刊上發(fā)表了一項(xiàng)顛覆性成果——全球首個(gè)電驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光器正式問(wèn)世。這一突破不僅攻克了鈣鈦礦光電子學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的技術(shù)難題，更為下一代光通信、集成光子芯片和可穿戴設(shè)備提供了全新的光源解決方案。

技術(shù)背景：從光驅(qū)動(dòng)到電驅(qū)動(dòng)的跨越

半導(dǎo)體激光器是信息技術(shù)領(lǐng)域的核心光源，廣泛應(yīng)用于光通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和生物傳感等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的制造工藝復(fù)雜、成本高昂，且難以與硅基光電子平臺(tái)兼容。近年來(lái)，鈣鈦礦半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體和量子點(diǎn)等新型材料因其溶液法制備、低成本和光譜可調(diào)等優(yōu)勢(shì)，成為光電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中，鈣鈦礦半導(dǎo)體在光泵浦條件下可實(shí)現(xiàn)極低的激光發(fā)射閾值，且發(fā)射光譜覆蓋可見(jiàn)光到近紅外波段，技術(shù)前景尤為廣闊。

然而，驅(qū)動(dòng)激光器所需的外部能量源主要分為電和光兩種形式。過(guò)去十余年，全球科研團(tuán)隊(duì)在光驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光領(lǐng)域取得了一系列進(jìn)展，但光驅(qū)動(dòng)需要依賴體積龐大的外部光源（如脈沖激光器），嚴(yán)重限制了器件的實(shí)用性和集成度。因此，研發(fā)電驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光器成為該領(lǐng)域“皇冠上的明珠”，也是全球科研團(tuán)隊(duì)競(jìng)相追逐的目標(biāo)。

創(chuàng)新結(jié)構(gòu)：雙腔集成實(shí)現(xiàn)高效耦合

狄大衛(wèi)團(tuán)隊(duì)提出的解決方案是“集成式雙腔結(jié)構(gòu)”。該器件將高功率微腔鈣鈦礦LED子單元與低閾值鈣鈦礦單晶微腔子單元垂直堆疊，形成一個(gè)多層結(jié)構(gòu)。在電脈沖激勵(lì)下，微腔鈣鈦礦LED子單元產(chǎn)生約2.5×10?mW/cm2的峰值輻射功率密度（相當(dāng)于約2.0×10?W/sr/m2的超高輻亮度），并通過(guò)82.7%的高效耦合將光子注入單晶鈣鈦礦微腔，激發(fā)增益介質(zhì)產(chǎn)生激光。

這一設(shè)計(jì)的核心優(yōu)勢(shì)在于：
低閾值電流：電驅(qū)動(dòng)下激光閾值僅為92A/cm2，比性能最優(yōu)的電驅(qū)動(dòng)有機(jī)激光器低一個(gè)數(shù)量級(jí)；
高穩(wěn)定性：器件在空氣中工作半衰期達(dá)1.8小時(shí)（10Hz下6.4×10?個(gè)電壓脈沖），遠(yuǎn)超現(xiàn)有電驅(qū)動(dòng)有機(jī)激光器；
快速調(diào)制：通過(guò)減小器件有效面積以降低電阻電容常數(shù)，并采用硅襯底改善散熱，實(shí)現(xiàn)了36.2MHz帶寬下的電脈沖快速調(diào)制。

研究團(tuán)隊(duì)指出，電驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光器的成功源于三大技術(shù)突破：
雙腔耦合機(jī)制：通過(guò)精確控制光學(xué)微腔的間距和材料折射率，實(shí)現(xiàn)了光子從LED子單元到單晶微腔的高效傳輸；
材料優(yōu)化：采用溶液法制備的鈣鈦礦單晶微腔具有極低的缺陷密度，顯著降低了激光發(fā)射閾值；
熱管理設(shè)計(jì)：硅襯底的使用有效分散了電脈沖產(chǎn)生的熱量，避免了器件因過(guò)熱而失效。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該激光器在36.2MHz調(diào)制帶寬下可穩(wěn)定輸出激光，且光譜線寬低于0.1nm，滿足高精度光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆４送?，其垂直堆疊結(jié)構(gòu)僅需微米級(jí)空間，為未來(lái)與CMOS工藝兼容的片上光子集成提供了可能。

寫(xiě)在最后

電驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光器的問(wèn)世給多個(gè)領(lǐng)域創(chuàng)造了革命性機(jī)遇。在光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，憑借其低能耗和高速調(diào)制特性，該激光器能夠顯著提升數(shù)據(jù)中心的光互連效率；在集成光子芯片方面，作為相干光源，它可取代傳統(tǒng)分立式激光器，助力光子芯片朝著更小尺寸、更低成本的方向發(fā)展；在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，柔性基底上的鈣鈦礦激光器有望應(yīng)用于生物傳感和健康監(jiān)測(cè)，像非侵入式血糖檢測(cè)這類應(yīng)用就可能得以實(shí)現(xiàn)。

研究團(tuán)隊(duì)已與多家半導(dǎo)體企業(yè)展開(kāi)合作，探索器件的量產(chǎn)工藝。趙保丹教授表示：“未來(lái)需進(jìn)一步克服微腔鈣鈦礦LED子單元納秒級(jí)自發(fā)輻射壽命的限制，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)GHz級(jí)高速運(yùn)行。”而狄大衛(wèi)教授則指出，從當(dāng)前的“集成式泵浦”架構(gòu)向激光二極管結(jié)構(gòu)的演進(jìn)，將是規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵。

目前，團(tuán)隊(duì)正致力于優(yōu)化器件的壽命和可靠性，并探索其在量子通信和生物成像等領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著技術(shù)的成熟，電驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光器有望成為下一代光電子技術(shù)的核心組件，推動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)進(jìn)入全新的“光子時(shí)代”。