中科院上海光學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教授唐江、深圳大學教授張晗團隊合作，以激光技術小型化為牽引，基于對新型增益介質發光原理與機制的探索，突破了傳統衍射極限的限制，首次將全介質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微納激光。該成果近日發表于《美國化學會—納米》。
隨著信息技術的發展，以晶體管尺寸縮減為核心的摩爾定律將難以持續，光電集成甚至是用光子替代電子形成“片上光互聯”進行信息的處理和傳送成為趨勢。然而，傳統光子材料的光學增益有限，難以抗衡激光器小型化進程中造成的高損耗，導致光子器件尺寸難以降低，成為實現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。他們使用飛秒瞬態吸收光譜揭示了新型準二維鈣鈦礦薄膜增益介質的發光動力學機制，發現高達558每厘米的凈增益壽命約50皮秒，并分析了超快級聯能量傳輸和單線態及三線態激子等對增益的貢獻。
該團隊設計優化并采用10納米厚的紫外膠及二氧化硅基底構成的超簡“三明治”結構，在室溫下實現了激光尺寸僅為50納米的單模皮秒激光穩定運轉。即便是在深亞波長尺度下，該微納激光的品質因子和線偏振度也分別高達1635和81%，雙光子及單光子激發閾值僅為143和10.5微焦每平方厘米。這些指標在鈣鈦礦垂直腔面發射激光器，甚至整個全介質微納激光和等離激元納米激光器領域都居于前列。
杜鵑表示，結合該工作發展的簡單“三明治”結構，將有望進一步推動鈣鈦礦激光器的發展和解決芯片上光電互聯缺乏片上光源的“瓶頸”。（黃辛）
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