南科大王恺和孙小卫合作开发出高性能胶体量子点面发射激光器阵列

技术研究南方科技大学 2025-02-01 16:00

近日，南方科技大学电子与电气工程系教授王恺与讲席教授孙小卫联合香港大学教授Hoi Wai Choi（蔡凱威）、深圳技术大学副教授吴丹和苏州星烁纳米王允军博士，通过开发低增益阈值、高稳定性的合金化渐变核壳结构胶体量子点，并将之与具有强光场限域能力的环形布拉格谐振腔结合，实现了兼具低阈值、高集成密度、高稳定性的胶体量子点面发射激光器阵列。该研究成果以“Low-threshold surface-emitting colloidal quantum-dot circular Bragg laser array”为题在Light: Science & Applications（《光：科学与应用》）上发表。

胶体量子点（CQD）作为一类新型激光增益介质，具有低增益阈值、发光波段覆盖完整且灵活可调、溶液法制备成本低、制备工艺兼容等优势，有望为非外延式半导体激光器的发展注入新的动力。在显示、传感、通信等诸多领域中，面发射激光器以其窄发散角、高光效和对二维阵列化集成的良好兼容性，应用价值已获广泛验证，应用场景正不断拓展。因此，通过开发基于CQD的面发射激光器阵列，可集两者之所长，实现低成本、易集成、全彩覆盖的高质量相干光源。

光泵浦CQD激光器是实现未来电泵浦CQD激光器的重要基础，近年来国际上发展较为迅速，但是仍存在以下关键瓶颈：一是激射阈值较高，且多在飞秒源泵浦下运行。为提升光泵浦CQD激光器的实用价值，需在降低其激射阈值的同时，提高其对相对低成本的皮秒、纳秒乃至（准）连续泵浦源的兼容性。二是工作稳定性欠佳。较高的激射阈值给CQD材料在激光泵浦下的稳定性提出极高挑战，目前尚未有连续运行10小时以上的CQD激光器报道。三是集成密度有限。受制于经典的垂直腔面发射激光器（VCSEL）内有限的光场束缚和由此带来的较大模式体积，已报道CQD面发射激光器阵列的集成密度仅为100至300点每英寸（PPI）。

针对上述情况，研究团队通过CQD材料和CQD激光微腔两方面的共同改进，开发具有合金化渐变核壳结构的CQD材料，并将之与具有强光场束缚能力的环形布拉格微腔（CBR）结合，构建了兼具低阈值（17 μJ/cm²）、高稳定性（室温连续工作1000小时）和高集成密度（2100点每英寸）等特性的CQD面发射激光器阵列，进一步推动了CQD激光器的发展。

低阈值、高稳定性的CQD光学增益是实现高性能CQD激射的必要前提。有鉴于此，研究团队开发了一类基于CdZnSe/ZnSe/Zn_xCd_1-xS合金化渐变核壳结构的CQD材料（图1a），通过平滑化CQD内的激子束缚势，抑制了CQD多激子态下的俄歇复合，有助于降低CQD的光学增益阈值并提升其稳定性。基于对CQD二阶微分吸收谱的分析（图1b），观察到了高达147 meV的轻-重空穴能级劈裂，该值显著高于室温下的热能单位（k_BT ≈ 26 meV），说明CQD中的热致带边能级间跃迁可被有效抑制，有助于提升CQD光学增益的稳定性。在亚纳秒脉冲激光泵浦下，CQD的放大自发辐射阈值仅为10 μJ/cm²（图1c和d），为进一步实现低阈值激射打下良好基础。

为实现高性能、高集成度的面发射CQD激光器阵列，需要高效调控CQD激光微腔内的光场分布，以实现：（一）光场与CQD增益介质的有效耦合（以光学束缚因子Γ评估）；（二）尽可能强的光场束缚（以模式体积V评估）；（三）与CQD增益谱匹配的强珀塞尔效应（以珀塞尔因子F_P计）。然而，CQD VCSEL作为一类基于一维光子晶体结构的微腔系统，其光场束缚仅在Z轴上较为有效，在上述三点上仍有较大改进空间。因此，研究团队开发了一类CQD CBR激光器，借助在XY平面上的环形布拉格光栅结构，实现了光场束缚由VCSEL的一维（Z轴）到二维（XY平面）的升维（见图2）。在该器件中，CQD不仅扮演着增益介质的角色，还与相对低折射率的氧化硅一起，构建出完整的CBR谐振腔。基于FDTD的数值仿真表明，得益于其高效的光场束缚，CQD CBR激光腔内的模式体积V相对CQD VCSEL下降了一个量级，光学束缚因子Γ和珀塞尔因子FP也得到显著提升（图2）。

得益于CBR微腔内光学束缚因子Γ和珀塞尔因子F_P的大幅提升，CQD CBR激光器的激射阈值（17 μJ/cm²）显著低于CQD VCSEL（56 μJ/cm²）（图3）。同时，由强光场束缚带来的小模式体积V使CQD CBR激光器的高密度阵列化集成成为可能，其集成密度可达2100点每英寸，是当前CQD面发射激光器阵列的最高水平。