科學家研制出低閾值、超快可切換的準二維鈣鈦礦微納激光光源

微納激光器是光子芯片的核心器件之一，在高速光通訊、高分辨率生物成像和傳感等領域具有重要應用前景。然而，隨著器件尺寸的減小，微腔損耗和材料損耗顯著增加，導致激射閾值也隨之上升。因此，小尺寸和低閾值之間的矛盾一直是激光器微型化進程中被廣泛接受的權衡難題。

鈣鈦礦材料因其優異的光學與制備特性而備受關注。它不僅制備工藝簡單、結構靈活可控，同時具高光學增益和寬范圍可調的帶隙。因此，鈣鈦礦被認為是實現高性能微納激光器的理想材料選擇。特別是二維和準二維鈣鈦礦，其天然形成的多層量子阱結構可實現強量子限域效應，使激子能夠在室溫下穩定存在，并為雙激子的形成創造了有利條件。雙激子發射峰與材料吸收峰重疊區域更小，可顯著抑制光子再吸收損耗，為實現低閾值激光發射提供了關鍵的材料基礎。

近日，中國科學院國家納米科學中心首次實現了反常尺寸—閾值依賴關系，獲得了具有低閾值（<14μJ/cm²）和超快切換（~5ps）功能的微納激光光源。研究團隊通過權衡俄歇復合和激子束縛能的影響，采用反溶劑法，獲得了高質量、純相的鈣鈦礦微米片，并借助其自身形成的回音壁光學微腔，系統研究了尺寸對激光性能的影響。

研究顯示，隨著微米片尺寸減小，激光發射閾值顯著降低。這一趨勢與傳統III-V族半導體、三維鈣鈦礦等材料的中的行為完全相反。結合電場分布模擬與光譜分析，證實該激射來源于雙激子發射，并揭示其反常尺寸效應來源于不同尺寸下激子再吸收過程的差異。在小尺寸微腔中，光子循環過程受到抑制，使得雙激子形成與增益占據主導，從而實現更低閾值的激光發射。

研究還發現這種微腔激光光源具有皮秒級光開關能力。團隊通過雙光束泵浦實驗，實現了對雙激子激光的“關閉—重啟”控制，關閉時間隨尺寸減小而縮短，最短可達5ps，為未來超快光計算與高速片上光互聯提供了新的器件可能。

該工作揭示了基于雙激子過程的尺寸—性能調控新機制，也為發展低閾值、高速度、可集成的新型納米激光器提供了可行方案，對推動集成光子學與緊湊型光信息處理系統的發展具有重要意義。

相關研究成果發表在ACS Nano上。研究工作得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金項目的支持。

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