【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南方科技大學(xué)電子與電氣工程系教授王愷與講席教授孫小衛(wèi)聯(lián)合香港大學(xué)教授Hoi Wai Choi(蔡凱威)、深圳技術(shù)大學(xué)副教授吳丹和蘇州星爍納米王允軍博士，通過開發(fā)低增益閾值、高穩(wěn)定性的合金化漸變核殼結(jié)構(gòu)膠體量子點(diǎn)，并將之與具有強(qiáng)光場限域能力的環(huán)形布拉格諧振腔結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了兼具低閾值、高集成密度、高穩(wěn)定性的膠體量子點(diǎn)面發(fā)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(xué)與應(yīng)用》)上發(fā)表。
 

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

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

　　針對上述情況，研究團(tuán)隊(duì)通過CQD材料和CQD激光微腔兩方面的共同改進(jìn)，開發(fā)具有合金化漸變核殼結(jié)構(gòu)的CQD材料，并將之與具有強(qiáng)光場束縛能力的環(huán)形布拉格微腔(CBR)結(jié)合，構(gòu)建了兼具低閾值(17 μJ/cm2)、高穩(wěn)定性(室溫連續(xù)工作1000小時(shí))和高集成密度(2100點(diǎn)每英寸)等特性的CQD面發(fā)射激光器陣列，進(jìn)一步推動了CQD激光器的發(fā)展。
 

　　低閾值、高穩(wěn)定性的CQD光學(xué)增益是實(shí)現(xiàn)高性能CQD激射的必要前提。有鑒于此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一類基于CdZnSe/ZnSe/ZnxCd1-xS合金化漸變核殼結(jié)構(gòu)的CQD材料(圖1a)，通過平滑化CQD內(nèi)的激子束縛勢，抑制了CQD多激子態(tài)下的俄歇復(fù)合，有助于降低CQD的光學(xué)增益閾值并提升其穩(wěn)定性。基于對CQD二階微分吸收譜的分析(圖1b)，觀察到了高達(dá)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(xué)增益的穩(wěn)定性。在亞納秒脈沖激光泵浦下，CQD的放大自發(fā)輻射閾值僅為10 μJ/cm2(圖1c和d)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)低閾值激射打下良好基礎(chǔ)。
 

　　圖1. (a) CQD的CdZnSe/ZnSe/ZnxCd1-xS合金化漸變核殼結(jié)構(gòu); (b) CQD的光致發(fā)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(fā)光譜; (d) 與泵浦強(qiáng)度相關(guān)的CQD自發(fā)輻射與放大自發(fā)輻射強(qiáng)度變化曲線。

 

　　為實(shí)現(xiàn)高性能、高集成度的面發(fā)射CQD激光器陣列，需要高效調(diào)控CQD激光微腔內(nèi)的光場分布，以實(shí)現(xiàn)：(一)光場與CQD增益介質(zhì)的有效耦合(以光學(xué)束縛因子Γ評估)；(二)盡可能強(qiáng)的光場束縛(以模式體積V評估)；(三)與CQD增益譜匹配的強(qiáng)珀塞爾效應(yīng)(以珀塞爾因子FP計(jì))。然而，CQD VCSEL作為一類基于一維光子晶體結(jié)構(gòu)的微腔系統(tǒng)，其光場束縛僅在Z軸上較為有效，在上述三點(diǎn)上仍有較大改進(jìn)空間。因此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一類CQD CBR激光器，借助在XY平面上的環(huán)形布拉格光柵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)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(zhì)的角色，還與相對低折射率的氧化硅一起，構(gòu)建出完整的CBR諧振腔。基于FDTD的數(shù)值仿真表明，得益于其高效的光場束縛，CQD CBR激光腔內(nèi)的模式體積V相對CQD VCSEL下降了一個(gè)量級，光學(xué)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(nèi)光場分布、珀塞爾效應(yīng)和光學(xué)束縛因子的對比。

 

　　得益于CBR微腔內(nèi)光學(xué)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(shí)，由強(qiáng)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(dá)2100點(diǎn)每英寸，是當(dāng)前CQD面發(fā)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(zhì)量的CQD材料與CBR微腔，CQD CBR激光器展現(xiàn)出良好的工作穩(wěn)定性，其連續(xù)工作壽命長達(dá)1000小時(shí)，對應(yīng)3.6億次的穩(wěn)定脈沖激射，兩者均為已報(bào)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(nèi)的高效光場調(diào)控對改善CQD激射特性的作用機(jī)制，通過結(jié)合高質(zhì)量的CQD材料與具有強(qiáng)光場束縛的CBR微腔，構(gòu)建了兼具低閾值、高集成密度、高穩(wěn)定性的CQD面發(fā)射激光器陣列，突破了當(dāng)前CQD激光器在集成密度與工作穩(wěn)定性上的技術(shù)瓶頸，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)二極管泵浦乃至電泵浦CQD激射打下良好基礎(chǔ)。
 

　　王愷、孫小衛(wèi)、蔡凱威、吳丹為本工作的共同通訊作者，南方科技大學(xué)與香港大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生譚揚(yáng)志為第一作者，南方科技大學(xué)為第一通訊單位。研究得到了國家科技部、國家自然科學(xué)基金委、深圳市科創(chuàng)局和南方科技大學(xué)的支持。