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構(gòu)建器件面積小于1μm2的連續(xù)激光源對(duì)滿足片上光互連低能耗要求（<10 fJ bit-1）具有重要意義。然而，隨著器件尺寸的減小，光學(xué)和材料損耗顯著增加，因此實(shí)現(xiàn)激光光源的亞微米器件尺寸和連續(xù)光泵浦極具挑戰(zhàn)。近年來，鹵化物鈣鈦礦材料因其高光學(xué)增益和獨(dú)特的激子極化激元特性在連續(xù)光泵浦激光領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。迄今報(bào)道的鈣鈦礦連續(xù)激光源的器件面積仍大于10μm2，而亞微米激光源均需較高泵浦能量密度的脈沖光進(jìn)行激發(fā)。

針對(duì)該挑戰(zhàn)，北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張青課題組成功制備了高質(zhì)量鈣鈦礦亞微米單晶材料，實(shí)現(xiàn)連續(xù)光泵浦激光源，器件面積低至0.65μm2。同時(shí)揭示了光子-激子強(qiáng)耦合區(qū)域的一種反常閾值-尺寸構(gòu)效關(guān)系，深入理解激子極化激元在亞微米連續(xù)光泵浦激射過程的作用機(jī)制，為開發(fā)小尺寸低閾值半導(dǎo)體激光器提供了新思路。研究結(jié)果以“Continuous-Wave Pumped Perovskite Lasers with Device Area Below 1 μm2”為題，于近日發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。

該工作利用化學(xué)氣相沉積法在藍(lán)寶石襯底上制備了全無機(jī)鈣鈦礦CsPbBr3單晶微米片，觀察到室溫下鈣鈦礦激子與回音壁微腔光子發(fā)生強(qiáng)耦合，形成激子極化激元。通過發(fā)射強(qiáng)度從線性到非線性變化、線寬變窄、發(fā)射偏振轉(zhuǎn)變和閾值處空間相干性轉(zhuǎn)變等一系列證據(jù)，證實(shí)了亞微米尺寸CsPbBr3單晶片的連續(xù)光泵浦熒光激射，其器件面積最低至0.65μm2。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，亞微米激光光源的閾值與大尺寸激光光源相當(dāng)，甚至可以更低（圖1）。

圖1.連續(xù)光泵浦亞微米CsPbBr3激光光源

進(jìn)一步，該工作從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面進(jìn)行了探索，揭示了激子極化激元在實(shí)現(xiàn)亞微米連續(xù)激光源中的作用機(jī)制。亞微米尺寸鈣鈦礦中增強(qiáng)的光子-激子耦合作用導(dǎo)致群折射率顯著增大至約80，進(jìn)而大幅提升其模式增益以補(bǔ)償模式損耗。同時(shí)，這也導(dǎo)致鈣鈦礦亞微米激光源可具有更高的有效微腔品質(zhì)因子和更窄的發(fā)射線寬（圖2）。該機(jī)制也為開發(fā)基于其他半導(dǎo)體材料的小尺寸低閾值激光器提供了新見解。

圖2.利用激子極化激元實(shí)現(xiàn)亞微米激光源的作用機(jī)制

北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2020級(jí)直博生宋杰朋為論文第一作者，北京大學(xué)為論文第一單位，張青和清華大學(xué)物理系熊啟華教授為論文通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金和北京市杰出青年科學(xué)基金的支持。