【儀表網 研發快訊】近日，南方科技大學電子與電氣工程系教授王愷與講席教授孫小衛聯合香港大學教授Hoi Wai Choi(蔡凱威)、深圳技術大學副教授吳丹和蘇州星爍納米王允軍博士，通過開發低增益閾值、高穩定性的合金化漸變核殼結構膠體量子點，并將之與具有強光場限域能力的環形布拉格諧振腔結合，實現了兼具低閾值、高集成密度、高穩定性的膠體量子點面發射激光器陣列。該研究成果以“Low-threshold surface-emitting colloidal quantum-dot circular Bragg laser array”為題在Light: Science & Applications(《光：科學與應用》)上發表。
 

　　膠體量子點(CQD)作為一類新型激光增益介質，具有低增益閾值、發光波段覆蓋完整且靈活可調、溶液法制備成本低、制備工藝兼容等優勢，有望為非外延式半導體激光器的發展注入新的動力。在顯示、傳感、通信等諸多領域中，面發射激光器以其窄發散角、高光效和對二維陣列化集成的良好兼容性，應用價值已獲廣泛驗證，應用場景正不斷拓展。因此，通過開發基于CQD的面發射激光器陣列，可集兩者之所長，實現低成本、易集成、全彩覆蓋的高質量相干光源。
 

　　光泵浦CQD激光器是實現未來電泵浦CQD激光器的重要基礎，近年來國際上發展較為迅速，但是仍存在以下關鍵瓶頸：一是激射閾值較高，且多在飛秒源泵浦下運行。為提升光泵浦CQD激光器的實用價值，需在降低其激射閾值的同時，提高其對相對低成本的皮秒、納秒乃至(準)連續泵浦源的兼容性。二是工作穩定性欠佳。較高的激射閾值給CQD材料在激光泵浦下的穩定性提出極高挑戰，目前尚未有連續運行10小時以上的CQD激光器報道。三是集成密度有限。受制于經典的垂直腔面發射激光器(VCSEL)內有限的光場束縛和由此帶來的較大模式體積，已報道CQD面發射激光器陣列的集成密度僅為100至300點每英寸(PPI)。
 

　　針對上述情況，研究團隊通過CQD材料和CQD激光微腔兩方面的共同改進，開發具有合金化漸變核殼結構的CQD材料，并將之與具有強光場束縛能力的環形布拉格微腔(CBR)結合，構建了兼具低閾值(17 μJ/cm2)、高穩定性(室溫連續工作1000小時)和高集成密度(2100點每英寸)等特性的CQD面發射激光器陣列，進一步推動了CQD激光器的發展。
 

　　低閾值、高穩定性的CQD光學增益是實現高性能CQD激射的必要前提。有鑒于此，研究團隊開發了一類基于CdZnSe/ZnSe/ZnxCd1-xS合金化漸變核殼結構的CQD材料(圖1a)，通過平滑化CQD內的激子束縛勢，抑制了CQD多激子態下的俄歇復合，有助于降低CQD的光學增益閾值并提升其穩定性。基于對CQD二階微分吸收譜的分析(圖1b)，觀察到了高達147 meV的輕-重空穴能級劈裂，該值顯著高于室溫下的熱能單位(kBT ≈ 26 meV)，說明CQD中的熱致帶邊能級間躍遷可被有效抑制，有助于提升CQD光學增益的穩定性。在亞納秒脈沖激光泵浦下，CQD的放大自發輻射閾值僅為10 μJ/cm2(圖1c和d)，為進一步實現低閾值激射打下良好基礎。
 

　　圖1. (a) CQD的CdZnSe/ZnSe/ZnxCd1-xS合金化漸變核殼結構; (b) CQD的光致發光、線性和二階微分的吸收譜; (c) 變功率的亞納秒激光泵浦下的CQD的光致發光譜; (d) 與泵浦強度相關的CQD自發輻射與放大自發輻射強度變化曲線。

 

　　為實現高性能、高集成度的面發射CQD激光器陣列，需要高效調控CQD激光微腔內的光場分布，以實現：(一)光場與CQD增益介質的有效耦合(以光學束縛因子Γ評估)；(二)盡可能強的光場束縛(以模式體積V評估)；(三)與CQD增益譜匹配的強珀塞爾效應(以珀塞爾因子FP計)。然而，CQD VCSEL作為一類基于一維光子晶體結構的微腔系統，其光場束縛僅在Z軸上較為有效，在上述三點上仍有較大改進空間。因此，研究團隊開發了一類CQD CBR激光器，借助在XY平面上的環形布拉格光柵結構，實現了光場束縛由VCSEL的一維(Z軸)到二維(XY平面)的升維(見圖2)。在該器件中，CQD不僅扮演著增益介質的角色，還與相對低折射率的氧化硅一起，構建出完整的CBR諧振腔。基于FDTD的數值仿真表明，得益于其高效的光場束縛，CQD CBR激光腔內的模式體積V相對CQD VCSEL下降了一個量級，光學束縛因子Γ和珀塞爾因子FP也得到顯著提升(圖2)。
 

　　圖2. 基于FDTD仿真的CQD VCSEL和CQD CBR激光微腔內光場分布、珀塞爾效應和光學束縛因子的對比。

 

　　得益于CBR微腔內光學束縛因子Γ和珀塞爾因子FP的大幅提升，CQD CBR激光器的激射閾值(17 μJ/cm2)顯著低于CQD VCSEL(56 μJ/cm2)(圖3)。同時，由強光場束縛帶來的小模式體積V使CQD CBR激光器的高密度陣列化集成成為可能，其集成密度可達2100點每英寸，是當前CQD面發射激光器陣列的最高水平。
 

圖3. CQD VCSEL和CQD CBR激光器的激射特性對比。
 

　　此外，基于高質量的CQD材料與CBR微腔，CQD CBR激光器展現出良好的工作穩定性，其連續工作壽命長達1000小時，對應3.6億次的穩定脈沖激射，兩者均為已報道的溶液處理的納米晶激光器中的最佳值(圖4)。
 

　　該工作明確了微腔內的高效光場調控對改善CQD激射特性的作用機制，通過結合高質量的CQD材料與具有強光場束縛的CBR微腔，構建了兼具低閾值、高集成密度、高穩定性的CQD面發射激光器陣列，突破了當前CQD激光器在集成密度與工作穩定性上的技術瓶頸，為進一步實現二極管泵浦乃至電泵浦CQD激射打下良好基礎。
 

　　王愷、孫小衛、蔡凱威、吳丹為本工作的共同通訊作者，南方科技大學與香港大學聯合培養博士生譚揚志為第一作者，南方科技大學為第一通訊單位。研究得到了國家科技部、國家自然科學基金委、深圳市科創局和南方科技大學的支持。