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南科大領銜開發新型膠體量子點激光陣列，室溫下連續工作1000小時，對應3.6億次穩定脈沖激射，助力打造非外延半導體激

文章來源：新材料網更新時間：2025-07-08 16:25:15

近日，南方科技大學王愷教授和合作者將具有合金化漸變核殼結構的膠體量子點材料與具有強光場束縛能力的環形布拉格微腔（CBR，circular Bragg resonator）結合，讓膠體量子點激光器的激發閾值低至 17μJ/cm²，并讓其能夠在室溫下連續工作 1000 小時，對應 3.6 億次穩定脈沖激射，同時實現了 2100 點每英寸的更高集成密度，借此讓膠體量子點激光器變得更易驅動、更耐用，為進一步實現二極管泵浦乃至電泵浦膠體量子點激射打下良好基礎。
要讓膠體量子點激光器既高效、又穩定且易于集成，關鍵在于“光場調控三要素”：

首先，要實現光場與膠體量子點增益介質的有效耦合，關于此要素以光學限制因子 Γ 來評估，以便確保光場與膠體量子點充分“握手”，從而避免能量浪費。

其次，要使用盡可能強的光場束縛，關于此要素以模式體積 V 來評估，通過把光壓縮到亞微米級空間，從而讓能量密度實現飆升。

再次，要實現與膠體量子點增益譜匹配的強 Purcell 效應，關于此要素以 Purcell 因子 F_P 來計算，即利用強光場環境來提升膠體量子點的發光效率，進而實現降低激光閾值的目的。
然而，傳統膠體量子點垂直腔面發射激光器（VCSEL，vertical-cavity surface-emitting laser）的光場調控就像一款“單層夾心餅干”，只能在上下（Z 軸）方向壓縮光場，這就導致光學限制因子較低，同時壓縮度也比較低。

為此，他們開發了這種膠體量子點環形布拉格微腔激光器，借助在 XY 平面上的環形布拉格光柵結構，實現了光場束縛由垂直腔面發射激光器的一維到二維的升維。

在該器件中，膠體量子點不僅扮演著增益介質的角色，還與相對低折射率的氧化硅一起，構建出完整的環形布拉格微腔諧振腔。

基于數值仿真結果表明：得益于其高效的光場束縛，膠體量子點環形布拉格微腔激光腔內的模式體積 V 相對膠體量子點垂直腔面發射激光器下降了一個量級，與此同時光學限制因子 Γ 和 Purcell 因子 F_P 也得到了顯著提升。
得益于環形布拉格微腔微腔內光學限制因子 Γ 和 Purcell 因子 F_P 的大幅提升，基于環形布拉格微腔的膠體量子點激光器陣列在三個方面上實現了性能提升：

其一，激射閾值從 56μJ/cm² 降至 17μJ/cm²，在已報道的膠體量子點激光中處于最低閾值之列。其能以相對低成本的 0.3ns 準納秒實現激光驅動，從而能夠增強實用性。

其二，由強光場束縛帶來的小模式體積 V 使得膠體量子點環形布拉格微腔激光器的高密度陣列化集成成為可能，其集成密度可達 2100 點每英寸，是當前膠體量子點面發射激光器陣列的最高水平。

其三，協同高質量的膠體量子點材料與環形布拉格微腔，膠體量子點環形布拉格微腔激光器展現出良好的工作穩定性，其室溫連續工作壽命長達 1000 小時，對應 3.6 億次的穩定脈沖激射，兩者均為已報道的溶液處理的納米晶激光器中的最佳值。
盡管目前以膠體量子點激光器為代表的非外延激光器尚未實現大規模商業化，但是隨著技術的逐步發展與成熟，其在連續波長可調、易于異質集成、低成本等方面具有的其獨特優勢，或將催生新型光電器件及其新的應用場景。

例如，預計有望通過硅基異質集成技術實現基于膠體量子點激光器的片上激光器（On-Chip Laser），為硅光芯片提供波長調諧范圍大、集成度高、成本較低的新型片上激光器，推動硅光芯片在數據中心光互連、量子信息、生物醫療、健康監測、智能傳感等領域的應用。

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