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室温下最小尺寸全介质微纳激光问世

中国科学报 2021-04-29 作者:黄辛

  中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室冷雨欣、杜鹃研究团队与华中科技大学教授唐江、深圳大学教授张晗团队合作,以激光技术小型化为牵引,基于新型增益介质发光原理与机制的兴发娱乐xf938探索,突破了传统衍射极限的兴发娱乐xf938限制,首次将全介质室温亚波长微纳激光器件的兴发娱乐xf938物理尺寸推进到50纳米,这是目前已知的兴发娱乐xf938最小尺寸的兴发娱乐xf938全介质微纳激光。该研究成果近日发表于《美国化学学会—纳米》。 

  随着信息技术的兴发娱乐xf938发展,当前半导体技术集成化发展已趋近瓶颈,以晶体管尺寸缩减为核心的兴发娱乐xf938摩尔定律即将难以持续,光电集成甚至是用光子替代电子形成“片上光互联”进行信息的兴发娱乐xf938处理和传送成为一种必然趋势。光信息处理能在减少能耗的兴发娱乐xf938同时将数据传输速度提高千倍,但是光子比电子更难掌控,如何在纳米尺寸高度集成的兴发娱乐xf938芯片上像操纵电子那样实现对光子的兴发娱乐xf938操控成为非常关键的兴发娱乐xf938一步。然而,传统光子材料的兴发娱乐xf938光学增益有限,尤其是当接近亚波长或深亚波长尺度时,微型激光器的兴发娱乐xf938最小尺寸和性能之间存在一个基本的兴发娱乐xf938平衡,增益难以抗衡激光器小型化进程中造成的兴发娱乐xf938高损耗,导致光子器件尺寸难以降低,成为实现光电集成芯片的兴发娱乐xf938一大阻碍。因此,研制出更小尺寸、更高增益、更低损耗的兴发娱乐xf938新型微纳激光器件,是光子芯片技术实现重大突破要解决的兴发娱乐xf938关键问题之一。

  为了克服这种制约,冷雨欣、杜鹃研究团队与合作者研发出了一种尺寸仅为50纳米的兴发娱乐xf938新型深亚波长钙钛矿微纳激光器。研究人员使用飞秒瞬态吸收光谱揭示了新型准二维钙钛矿薄膜增益介质的兴发娱乐xf938发光动力学机制,发现高达558每厘米的兴发娱乐xf938净增益寿命约50皮秒,并分析了超快级联能量传输和单线态及三线态激子等对增益的兴发娱乐xf938贡献。受其优异增益特性的兴发娱乐xf938启发,结合40纳米的兴发娱乐xf938增益介质,设计优化并最终采用10纳米厚的兴发娱乐xf938紫外胶及二氧化硅基底构成的兴发娱乐xf938超简“三明治”结构,最终在室温下实现了激光尺寸仅为50纳米的兴发娱乐xf938单模皮秒激光稳定运转。即便是在深亚波长尺度下,该微纳激光的兴发娱乐xf938品质因子和线偏振度分别高达1635和81%,双光子及单光子激发阈值仅为143和10.5微焦每平方厘米。这些指标不仅在钙钛矿垂直腔面发射激光器当中居于前列,在整个全介质微纳激光和等离激元纳米激光器领域也是难以想象的兴发娱乐xf938。

  2018年,该团队研究人员首次将室温运转的兴发娱乐xf938全介质微纳激光的兴发娱乐xf938尺寸发展到了400纳米的兴发娱乐xf938亚波长尺度,此次工作更是将此类激光的兴发娱乐xf938尺寸进一步发展到了深亚波长尺度。杜鹃表示,结合该工作中率先发展的兴发娱乐xf938简单“三明治”结构,将有望进一步推动钙钛矿激光器的兴发娱乐xf938发展进程和解决芯片上光电互联缺乏片上光源的兴发娱乐xf938“瓶颈”。

  该工作得到国家自然科学基金、中科院先导B类专项、上海市优秀学术/技术带头人计划、中国博士后科学基金面上资助等项目的兴发娱乐xf938支持。

  相关论文信息:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10647 

责任编辑:王超

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