手機的人臉識別、汽車的雷達測距、醫院的激光手術……這些新技術的高速發展都離不開激光。激光具有單色性強、方向性好、能量高度集中等優(you) 勢，成為(wei) 推動光電信息產(chan) 業(ye) 發展的關(guan) 鍵技術之一。

最近，浙江大學光電科學與(yu) 工程學院/海寧國際聯合學院狄大衛教授、鄒晨研究員和趙保丹教授團隊研製了世界上第一個(ge) 電驅動鈣鈦礦激光器。這是一個(ge) 包含兩(liang) 個(ge) 光學微腔的“雙腔”激光器，它將低閾值鈣鈦礦單晶微腔子單元與(yu) 高功率微腔鈣鈦礦LED子單元集成於(yu) 同一個(ge) 器件，形成了一個(ge) 垂直堆疊的多層結構。這種新型半導體(ti) 激光器，其發射激光所需的最小電流(閾值電流) 為(wei)  92A/c㎡，比最好的有機半導體(ti) 激光器還低一個(ge) 數量級，且表現出較好的穩定性，並能在36.2 MHz的帶寬下實現快速調製，有望應用於(yu) 片上數據傳(chuan) 輸、計算和生物醫學等領域。相關(guan) 研究論文於(yu) 8月27日發表於(yu) 國際頂尖學術期刊《自然》。

激光器種類繁多，其中半導體(ti) 激光器是信息技術領域的重要光源，但其傳(chuan) 統製造工藝通常工序複雜且成本高昂。當前，鈣鈦礦半導體(ti) 、有機半導體(ti) 和量子點等新型激光材料展現出顯著優(you) 勢。它們(men) 可通過溶液法製備，不僅(jin) 加工成本相對較低，而且更容易集成到可大規模量產(chan) 的矽基光電子平台上。在這些材料中，鈣鈦礦半導體(ti) 因其發射光譜可調（可實現各種色彩），且在光泵浦（即光驅動）條件下能實現極低的激光發射閾值，具有十分優(you) 異的技術前景。

驅動激光器工作所需的外部能量源主要包括電和光兩(liang) 種形式。過去十餘(yu) 年間，全球學者在光驅動鈣鈦礦激光方向取得了係列重要進展，然而，光驅動通常需要借助體(ti) 積龐大的外部光源（如脈衝(chong) 激光器），它使器件的適用範圍十分有限。研發電驅動鈣鈦礦激光器，是鈣鈦礦光電子學領域一直以來的最大挑戰，也是全球眾(zhong) 多科研團隊共同追尋的目標。

“為(wei) 了實現電驅動激光發射，我們(men) 發明了一種集成式的雙腔結構。我們(men) 的方案是，將高功率微腔鈣鈦礦LED子單元與(yu) 高質量單晶鈣鈦礦微腔子單元緊湊地集成在同一器件中。”狄大衛介紹。該器件將微腔鈣鈦礦LED在電激勵下產(chan) 生的大量光子高效地耦合到第二個(ge) 微腔中，並激發單晶鈣鈦礦增益介質，產(chan) 生激光。

“盡管集成式電驅動的原理本身並不複雜，但在著手製備激光器時，我們(men) 還是經曆了不少挑戰。“鄒晨說。團隊此前沒有頂發射微腔器件的製備經驗，一切都要從(cong) 零開始。從(cong) 器件結構的設計優(you) 化，到製備工藝的摸索調試，再到測試係統的搭建驗證，每一步都需要反複試錯、逐步推進。當這些難題被逐一攻克，在電驅動下，團隊成員們(men) 第一次觀測到期待已久的激光光譜時，難以言喻的喜悅與(yu) 振奮油然而生。

這種集成式激光器，包含可高效耦合的兩(liang) 個(ge) 光學微腔（耦合效率達82.7%）。在電脈衝(chong) 下，微腔鈣鈦礦LED子單元產(chan) 生約2.5×104 mW/c㎡的峰值輻射功率密度，相當於(yu) 約2.0×105 W/sr/㎡的超高輻亮度。這個(ge) 光功率被有效傳(chuan) 遞到單晶鈣鈦礦微腔中，並支持激光發射。

“這種新型半導體(ti) 激光器已經展現出重要的技術潛力。”狄大衛介紹。在電激發條件下，鈣鈦礦激光器的激光閾值為(wei) 92 A/c㎡，比最好的電驅動有機激光器還要低一個(ge) 數量級。而且，電驅動鈣鈦礦激光器表現出比有機激光器更優(you) 異的可重複性和穩定性，能在36.2 MHz的帶寬下實現快速調製。

電驅動鈣鈦礦激光器可用於(yu) 光學數據傳(chuan) 輸等多種應用場景，還可用作集成光子芯片和可穿戴設備中的相幹光源。團隊發現，該器件能在36.2 MHz帶寬下通過電脈衝(chong) 進行快速調製。這種調製速率是通過減小器件有效麵積以實現最小電阻電容（RC）常數，並使用矽襯底改善散熱實現的。趙保丹說：“在未來，我們(men) 還需要克服微腔鈣鈦礦LED子單元納秒級的自發輻射壽命限製，以實現器件的GHz級高速運行。”

 “從(cong) 當前的‘集成式泵浦’架構過渡到更為(wei) 簡潔的激光二極管結構，將是下一步研究工作的關(guan) 鍵，因為(wei) 這能實現更緊湊且可規模化的光電應用。”狄大衛說。在將這種新型半導體(ti) 激光技術推向實際應用的進程中，團隊已經做好準備以迎接新的重大挑戰。