激光因其高单色性、高方向性和高相干性,被广泛应用于通信、精密测量、医疗等领域,是现代信息社会的重要基础光源之一。
随着手机生物识别、车载感知、医疗微创操作以及数据中心高速互连等需求增长,业界对激光器提出更高要求:更小体积、更低功耗、更低成本,并能与芯片级系统深度集成。
长期以来,半导体激光器虽成熟可靠,但传统工艺复杂、制造成本较高,且在某些新型集成场景中仍面临材料体系与工艺路线受限等问题。
寻找可替代、可补充的新材料与新器件形态,成为全球光电子研究的重要方向。
问题在于,钙钛矿半导体等新型材料在“光驱动”条件下已经展现出低阈值、易实现多波段发射等优势,被认为具备成为新一代激光材料的潜力。
然而,光驱动钙钛矿激光器依赖体积庞大、价格昂贵的外置泵浦光源,难以嵌入便携设备或大规模制造体系,应用边界受到明显限制。
真正决定其能否走向产业的关键一步,是实现电驱动——像传统半导体激光器一样,直接通过电流注入产生稳定激光输出。
这一步在业内被视为钙钛矿光电领域的核心难题之一。
造成这一难题的原因,集中在“材料稳定性与器件物理”的双重约束:一方面,钙钛矿材料在高电场、大电流注入下容易产生热积累和结构退化,随之带来发光效率下降、光学损耗增大,激光所需的增益条件难以维持;另一方面,激光器不仅需要能发光的增益介质,还必须具备低损耗、精密的光学反馈结构,确保光子在腔体中高效往返振荡并被放大。
电驱动情形下,器件必须在更小尺寸内实现更高亮度与更稳定的载流子注入,同时抑制热效应和非辐射复合带来的损耗。
这意味着研究必须在材料、器件结构、光学腔体与工艺制造之间做系统协同,而不是单点突破即可达成。
针对上述瓶颈,浙江大学团队将挑战拆解为“光子学问题”和“电子学问题”两条主线协同攻关:在光子学层面,遴选与优化适合作为增益介质的钙钛矿体系,并构建低损耗、高精度的光学反馈结构,以提高腔体品质并降低激光产生门槛;在电子学层面,则着力实现可承载大电流和高功率的器件平台,通过结构设计与工艺路径缓解电场与热引发的不稳定因素,同时提升器件亮度、缩小器件尺度,为芯片级集成创造条件。
研究人员在实验室展示的器件仅呈方形微小尺寸,却能够发射近红外激光,实现了从“外置光源驱动”向“电注入驱动”的关键跨越。
相关成果已发表于国际学术期刊《自然》,显示出较强的学术影响力与技术指向性。
这一突破的影响,首先在于为半导体激光器材料体系拓展了新的方向。
钙钛矿材料具备可调谐光谱特性与潜在的低成本制备优势,一旦电驱动路径得到验证,有望形成与现有半导体激光技术互补的供给体系。
其次,它为下一代光电芯片提供更灵活的片上光源选择,推动“电—光—算”协同的系统级集成,服务高速互连、片上光学传感等应用。
再次,在可穿戴设备、便携医疗、近距离三维感知与环境监测等对体积和功耗极其敏感的场景中,微型化、低功耗的电驱动激光器有望降低系统复杂度与成本门槛,带来新的产品形态与产业机会。
从对策层面看,电驱动钙钛矿激光器从实验室走向更广泛应用仍需多方合力:其一,持续提升材料与器件的长期稳定性,建立在真实工作条件下的寿命评估体系,推动可靠性从“可实现”走向“可量产”。
其二,完善可重复的工艺窗口与制造一致性,提高器件良率,为规模化制备奠定基础。
其三,围绕热管理、封装与片上集成开展工程化验证,打通与现有硅基工艺、光学封装和系统设计的接口。
其四,加强产学研协同与标准化探索,在应用牵引下推进从原理样机到工程样机的迭代,提高技术转化效率。
面向前景,电驱动钙钛矿激光器的出现,意味着“更轻量的光源”正在从概念走向现实。
随着材料体系优化、器件结构升级以及工艺成熟度提升,未来该路线有望在多波段、低阈值和高集成方向持续演进,并与光电芯片、传感器和通信模块形成更紧密的系统级协同。
尤其在我国加快发展集成电路与新型显示、推进先进制造和新质生产力布局的背景下,这类原创性突破不仅提升基础研究能级,也为相关产业链的技术迭代提供新的可能。
从实验室的微观器件到未来产业的宏阔图景,这项"从0到1"的原始创新生动诠释了基础研究的战略价值。
在全球科技竞争日趋激烈的背景下,我国科研人员以十年磨一剑的定力攻克世界难题,不仅彰显了自主创新的中国智慧,更预示着在新一轮产业变革中,中国正逐步掌握关键领域的技术话语权。
这束微小的激光,或将照亮中国智造的未来之路。