近日，浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院/海寧國際聯(lián)合學(xué)院狄大衛(wèi)教授、鄒晨研究員和趙保丹教授團隊研制出全球首個電驅(qū)動鈣鈦礦激光器。該器件采用雙光學(xué)微腔設(shè)計，兼具低能耗、易調(diào)制優(yōu)勢，可用于光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用場景，以及用作集成光子芯片和可穿戴設(shè)備中的相干光源。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》。

電驅(qū)動鈣鈦礦激光器結(jié)構(gòu)與性能

半導(dǎo)體激光器是信息技術(shù)領(lǐng)域的重要光源。作為新型激光材料的鈣鈦礦半導(dǎo)體，加工成本相對較低，更容易集成到可大規(guī)模量產(chǎn)的硅基光電子平臺，并且發(fā)射光譜可調(diào)，在光驅(qū)動條件下能實現(xiàn)極低的激光發(fā)射閾值，技術(shù)前景優(yōu)異。驅(qū)動激光器工作所需的外部能量源主要包括電和光兩種形式，但光驅(qū)動通常需要借助體積龐大的外部光源，這導(dǎo)致器件的適用范圍有限。研發(fā)電驅(qū)動鈣鈦礦激光器，是鈣鈦礦光電子學(xué)領(lǐng)域的一項巨大挑戰(zhàn)。

“我們的方案是，將高功率微腔鈣鈦礦LED子單元與高質(zhì)量單晶鈣鈦礦微腔子單元緊湊地集成在同一器件中。”狄大衛(wèi)介紹。該器件將微腔鈣鈦礦LED在電激勵下產(chǎn)生的大量光子高效地耦合到第二個微腔中，并激發(fā)單晶鈣鈦礦增益介質(zhì)，產(chǎn)生激光，耦合效率達82.7%。這種新型半導(dǎo)體激光器發(fā)射激光所需的閾值電流是每平方厘米92安培，相比性能最佳的電驅(qū)動有機激光器還低一個數(shù)量級，且表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，該器件能在36.2兆赫茲帶寬下通過電脈沖進行快速調(diào)制。這種調(diào)制速率是通過減小器件有效面積以實現(xiàn)最小電阻電容常數(shù)，并使用硅襯底改善散熱實現(xiàn)的。從當(dāng)前的集成式泵浦架構(gòu)過渡到更為簡潔的激光二極管結(jié)構(gòu)，是團隊下一步研究工作的關(guān)鍵。團隊還將嘗試克服微腔鈣鈦礦LED子單元納秒級的自發(fā)輻射壽命限制，以實現(xiàn)器件的千兆赫茲級高速運行。