電子發(fā)燒友網(wǎng)綜合報道 2025年8月，浙江大學光電科學與工程學院教授狄大衛(wèi)、鄒晨研究員和趙保丹教授團隊在《自然》期刊上發(fā)表了一項顛覆性成果——全球首個電驅動鈣鈦礦激光器正式問世。這一突破不僅攻克了鈣鈦礦光電子學領域長期存在的技術難題，更為下一代光通信、集成光子芯片和可穿戴設備提供了全新的光源解決方案。

技術背景：從光驅動到電驅動的跨越

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

然而，驅動激光器所需的外部能量源主要分為電和光兩種形式。過去十余年，全球科研團隊在光驅動鈣鈦礦激光領域取得了一系列進展，但光驅動需要依賴體積龐大的外部光源（如脈沖激光器），嚴重限制了器件的實用性和集成度。因此，研發(fā)電驅動鈣鈦礦激光器成為該領域“皇冠上的明珠”，也是全球科研團隊競相追逐的目標。

創(chuàng)新結構：雙腔集成實現(xiàn)高效耦合

狄大衛(wèi)團隊提出的解決方案是“集成式雙腔結構”。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，形成一個多層結構。在電脈沖激勵下，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（相當于約2.0×10?W/sr/m2的超高輻亮度），并通過82.7%的高效耦合將光子注入單晶鈣鈦礦微腔，激發(fā)增益介質產(chǎn)生激光。

這一設計的核心優(yōu)勢在于：
低閾值電流：電驅動下激光閾值僅為92A/cm2，比性能最優(yōu)的電驅動有機激光器低一個數(shù)量級；
高穩(wěn)定性：器件在空氣中工作半衰期達1.8小時（10Hz下6.4×10?個電壓脈沖），遠超現(xiàn)有電驅動有機激光器；
快速調制：通過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，實現(xiàn)了36.2MHz帶寬下的電脈沖快速調制。

研究團隊指出，電驅動鈣鈦礦激光器的成功源于三大技術突破：
雙腔耦合機制：通過精確控制光學微腔的間距和材料折射率，實現(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；
熱管理設計：硅襯底的使用有效分散了電脈沖產(chǎn)生的熱量，避免了器件因過熱而失效。

實驗數(shù)據(jù)顯示，該激光器在36.2MHz調制帶寬下可穩(wěn)定輸出激光，且光譜線寬低于0.1nm，滿足高精度光學數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。此外，其垂直堆疊結構僅需微米級空間，為未來與CMOS工藝兼容的片上光子集成提供了可能。

寫在最后

電驅動鈣鈦礦激光器的問世給多個領域創(chuàng)造了革命性機遇。在光學數(shù)據(jù)傳輸領域，憑借其低能耗和高速調制特性，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；在可穿戴設備領域，柔性基底上的鈣鈦礦激光器有望應用于生物傳感和健康監(jiān)測，像非侵入式血糖檢測這類應用就可能得以實現(xiàn)。

研究團隊已與多家半導體企業(yè)展開合作，探索器件的量產(chǎn)工藝。趙保丹教授表示：“未來需進一步克服微腔鈣鈦礦LED子單元納秒級自發(fā)輻射壽命的限制，目標是實現(xiàn)GHz級高速運行?！倍掖笮l(wèi)教授則指出，從當前的“集成式泵浦”架構向激光二極管結構的演進，將是規(guī)模化應用的關鍵。

目前，團隊正致力于優(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域的應用。隨著技術的成熟，電驅動鈣鈦礦激光器有望成為下一代光電子技術的核心組件，推動信息產(chǎn)業(yè)進入全新的“光子時代”。