多年來，工程師們一直在尋找更優(yōu)方案來制造可直接集成到硅芯片上的微型高效激光器，這是實現(xiàn)更快速、更高性能光通信與計算的關(guān)鍵一步。目前商用激光器主要采用III-V族半導(dǎo)體材料，這些材料需在特殊襯底上生長——這種生產(chǎn)工藝導(dǎo)致其難以與主流硅技術(shù)結(jié)合且成本高昂。

抑制俄歇復(fù)合實現(xiàn)高性能鈣鈦礦垂直腔面發(fā)射激光器

全無機鈣鈦礦薄膜因其成本低廉、襯底兼容性強以及優(yōu)異的光學(xué)特性，已成為一種極具前景的替代方案。但始終存在一個重大障礙：在室溫環(huán)境下，鈣鈦礦激光器難以實現(xiàn)連續(xù)或近連續(xù)模式運行，其載流子會因俄歇復(fù)合效應(yīng)而快速流失。

近日，浙江大學(xué)研究團隊展示了一種解決該問題的簡易方法，使鈣鈦礦激光器在近連續(xù)運行模式下實現(xiàn)了破紀(jì)錄的性能表現(xiàn)。據(jù)《Advanced Photonics》報道，該團隊在多晶鈣鈦礦薄膜的退火工藝中使用揮發(fā)性銨鹽添加劑，引發(fā)“相重構(gòu)”反應(yīng)從而消除有害的低維相，減少加速俄歇復(fù)合的通道。最終形成純凈的三維結(jié)構(gòu)，在不引起顯著光學(xué)損耗的前提下，更好地保持了激光發(fā)射所需的載流子。

通過相重構(gòu)驅(qū)動俄歇抑制實現(xiàn)高性能鈣鈦礦激光：（a）揮發(fā)性銨鹽驅(qū)動相重構(gòu)示意圖；（b）快速俄歇復(fù)合阻礙載流子積累示意圖；（c）瞬態(tài)吸收光譜提取的載流子衰減曲線與納秒級激光脈沖對比；（d）準(zhǔn)連續(xù)納秒泵浦下不同泵浦通量對應(yīng)的PL光譜演變。插圖：激光遠場光斑；（e）積分強度隨泵浦通量變化函數(shù)。插圖：半峰全寬0.14 nm的激光光譜，對應(yīng)3850品質(zhì)因子；（f）納秒泵浦下鈣鈦礦激光器閾值與品質(zhì)因子性能對比

俄歇復(fù)合機制
為理解這項性能突破，研究團隊分析了不同泵浦條件下電子與空穴的復(fù)合過程。當(dāng)采用較長脈沖或連續(xù)光束作為輸入光源時，俄歇復(fù)合現(xiàn)象（即電子-空穴對復(fù)合時將能量傳遞給另一個載流子而非以光形式釋放）會變得尤為棘手。

在此類工況下，載流子注入的時間尺度達到或超過俄歇復(fù)合壽命，導(dǎo)致載流子快速流失，無法形成激光發(fā)射所需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。通過抑制該過程，研究人員成功維持了實現(xiàn)高效受激輻射所必需的載流子密度。

研究團隊采用優(yōu)化后的薄膜制備出單模垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），在納秒級準(zhǔn)連續(xù)泵浦條件下實現(xiàn)了17.3μJ/cm²的低激光閾值和3850的超高品質(zhì)因子，這一性能表現(xiàn)標(biāo)志著鈣鈦礦激光器在該領(lǐng)域達到了迄今報道的最高水平。

該研究成果為制備高性能鈣鈦礦激光器指明了實用化路徑，未來有望在真正連續(xù)波或電驅(qū)動條件下運行——這是將其集成至未來光子芯片及柔性可穿戴光電器件的關(guān)鍵里程碑。