中國科學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(shù)小型化為牽引，基于新型增益介質(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。該研究成果近日發(fā)表于《美國化學學會—納米》。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，當前半導體技術(shù)集成化發(fā)展已趨近瓶頸，以晶體管尺寸縮減為核心的摩爾定律即將難以持續(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一種必然趨勢。光信息處理能在減少能耗的同時將數(shù)據(jù)傳輸速度提高千倍，但是光子比電子更難掌控，如何在納米尺寸高度集成的芯片上像操縱電子那樣實現(xiàn)對光子的操控成為非常關(guān)鍵的一步。然而，傳統(tǒng)光子材料的光學增益有限，尤其是當接近亞波長或深亞波長尺度時，微型激光器的最小尺寸和性能之間存在一個基本的平衡，增益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(xiàn)光電集成芯片的一大阻礙。因此，研制出更小尺寸、更高增益、更低損耗的新型微納激光器件，是光子芯片技術(shù)實現(xiàn)重大突破要解決的關(guān)鍵問題之一。

為了克服這種制約，冷雨欣、杜鵑研究團隊與合作者研發(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。研究人員使用飛秒瞬態(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。受其優(yōu)異增益特性的啟發(fā)，結(jié)合40納米的增益介質(zhì)，設(shè)計優(yōu)化并最終采用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)，最終在室溫下實現(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。這些指標不僅在鈣鈦礦垂直腔面發(fā)射激光器當中居于前列，在整個全介質(zhì)微納激光和等離激元納米激光器領(lǐng)域也是難以想象的。

2018年，該團隊研究人員首次將室溫運轉(zhuǎn)的全介質(zhì)微納激光的尺寸發(fā)展到了400納米的亞波長尺度，此次工作更是將此類激光的尺寸進一步發(fā)展到了深亞波長尺度。杜鵑表示，結(jié)合該工作中率先發(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)展進程和解決芯片上光電互聯(lián)缺乏片上光源的“瓶頸”。

該工作得到國家自然科學基金、中科院先導B類專項、上海市優(yōu)秀學術(shù)/技術(shù)帶頭人計劃、中國博士后科學基金面上資助等項目的支持。