近日，南京航空航天大学物理学院光电功能材料、器件与物理科研团队施大宁教授等人提出了一种新型的“超吸收”概念，在一定程度上解决了微米尺度微腔单模激光难以实现的问题。大尺寸的金属Pt纳米颗粒作为一种超吸收材料，可以在光脉冲激发和电激发下调控单根氧化锌微米线的激光输出模式、实现单模激光输出，为开发一维线型微/纳米结构超低阈值单模激光器的提供了可能的技术路线。该成果以“Electrically driven single microwire-based single-mode microlaser” 为题发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》上。
图1 金属Pt纳米颗粒诱导单根微米线基单模激光产生的结构示意图
单频率振荡低维半导体微/纳米线激光器的小型化和集成化在片上光通信、超分辨率成像、量子信息处理、超密集数据存储等方面具有巨大的商业应用潜力，引起了广泛的研究兴趣。在过去的几十年里，人们提出了各种各样的实验和理论方法来开发单模激光器件。例如引入分布式反馈光栅（DFB）或布拉格反射镜（DBR）、缩短激光腔长、基于游标效应的耦合腔结构、应力或应变效应以及奇偶时间对称破缺等。在这些策略中，减小微腔长度是实现单模激光器件最直接有效地方法，但这是以牺牲光增益和阈值为代价的。在游标效应的帮助下，利用另一个光学谐振器作为调制器，可以调谐耦合腔的自由光谱范围，为单模激光提供了强的模式选择和竞争，但实验必须使用精细的微操作技术。一些特定频率选择机制的引入已被广泛用于在外部工具（如DBR和DFB）的帮助下获得单模激光，但外延设备昂贵和制作复杂。此外，半导体微/纳米线单模激光器件的开发（包括高品质因子、窄线宽和低阈值）仍然是一个关键的挑战，特别是在电激发下实现，这仍然是限制其实际应用的主要瓶颈。
一维线型半导体，如微/纳米线、纳米带、纳米管等，由于其光学波导以及对电子、空穴和光子的强约束，已被广泛用于构建发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。然而，所报道的微/纳米线激光器件基本上都是多模式的，且激光的自发辐射背景和阈值偏高。相比较而言，单模输出的微/纳米线激光器具有更好的稳定性、相干性、高光束质量和无模式竞争，对实现集成光互联、片上实验室等有着重要的意义。目前，减小谐振腔尺寸是实现单模激光器最直接、最有效地方法，但这是以牺牲光增益和阈值为代价的。特别是在电激发作用下，通常很难实现。此外，高质量光学谐振腔和金属电极触点的制备，以及p-n结的构建与界面优化等也限制了单根微米线电驱动激光器件的制备。因此，设计一种器件结构能够成功将注入的电子和空穴、激光增益介质和光学微谐振腔成功结合在一维线型结构内的微激光器件是一项重大挑战，是实现电激发时的高性能激光振荡的先决条件。 此外，期望在不损坏光学谐振腔的条件下，寻找一种紧凑且合适的实验方案来调制激光腔内的振荡模式并获得单模激光，仍然是一项艰巨的任务。
鉴于以上问题，研究人员采用简单的碳热还原反应法制备了高结晶质量的六边形Ga掺杂ZnO（ZnO:Ga）微米线。所制备的单根ZnO:Ga微米线作为激光增益介质和高品质光学谐振腔，可以用于实现回音壁模（WGM）紫外受激辐射。同时Ga元素的掺入能够有效的增强单根微米线的电学输运特性，特别是其可媲美于微纳尺度的金属丝的导电能力。然而，微米尺度的微腔因其微腔尺寸远大于紫外激光波长，一般都缺少有效地选取单纵模的机制，导致群速度色散较大，进而导致脉冲展宽，难以实现单模输出。
为实现单根ZnO:Ga微米线微腔的激光模式调控及单模激光输出，研究人员巧妙地利用大尺寸Pt纳米颗粒（PtNPs）作为超吸收材料依附在单根ZnO:Ga微米线的表面，获得了高品质因子和低阈值的单模激光，如图2所示。此外，研究人员还系统地研究了PtNPs修饰ZnO:Ga 微米线中激光增益与吸收损耗之间的相互作用。通过调控PtNPs的尺寸大小，得到了最佳性能的单模激光及其产生的条件。更为重要的是，PtNPs的引入并没有破坏激光谐振腔的光增益获取；同时，随着PtNPs尺寸的增加，微米线谐振腔激光的产生可以由多模向单模转换，较为灵活地实现了单模激光的模式调控。
图2 光脉冲激发单根PtNPs@ZnO:Ga微米线单模激光的实验结果
研究人员针对n-ZnO:Ga MW/p-GaN异质结发光器件结构中载流子注入效率低和界面处光损耗严重的问题，引入了Pt/MgO金属和半导体介质缓冲层，设计并制备了n-ZnO:Ga MW/Pt/MgO/p-GaN异质结器件。该器件在正向驱动偏压下可实现几乎无自发辐射背景的电驱动紫外多模式受激辐射，激光的阈值电流和FWHM分别为15.6 mA和1.36 nm。低反射指数介质层MgO的引入可以适当调制n-ZnO:Ga MW/p-GaN异质结的能带取向。比如降低电子泄漏、操纵载流子在微米线中的传输路径和降低异质结界面的光损耗，实现了以ZnO:Ga近带边发光为主导的纯紫外发光。而Pt纳米薄膜的引入可以进一步优化异质结界面质量，使单根ZnO:Ga微米线与p-GaN之间的电接触更加容易和可靠。两者的结合可以有效地提高有源区载流子注入效率和光增益的获取，将结区耗尽层载流子的复合、激光介质和光学微谐振腔融合到一起，产生紫外受激辐射。
图3 电激发单根PtNPs@ZnO:Ga微米线基异质结二极管单模激光的实验结果
为了获得电驱动的单模激光器，研究人员进一步改善器件结构，将大尺寸PtNPs（d ~ 130 nm）修饰的单根ZnO:Ga 微米线作为有源层引入到n-PtNPs@ZnO:Ga MW/Pt/MgO/p-GaN异质结激光二极管中，获得了具有单频发射的紫外激光二极管。如图3所示，在正向驱动偏压下，该器件的激光阈值电流、FWHM和品质因子Q分别为11.12 mA、0.18 nm和 2169。实验和理论的研究结果表明大尺寸的金属PtNPs作为超吸收材料，可以在不破坏微米线光学谐振腔的条件下操纵激光谐振腔的振荡模式，实现激光由多模向单模的转变。此外，研究人员还测试了具有高重复性和可控性的单模激光器的实现情况，即沉积合适尺寸的PtNPs可以调制光在单根ZnO:Ga 微米线中的传输路径，实现激光的模式锁定。该研究结果为开发基于一维半导体微/纳米线的单模微激光器设计和构建提供了一个直接有效地方案。
该研究基于大尺寸Pt纳米颗粒所提出的超吸收概念能够为宽带隙半导体低维微纳结构微腔激光输出模式调控、实现单模输出提供了一种新颖的实验方案。该超吸收概念相较于目前广泛应用的实验方案简单、易操作，特别是对微腔的损耗与增益之间进行有效地调控。进一步的，基于单根微米线结构设计、制备了一种异质结发光器件， 可以有效地将结区耗尽层、激光增益介质和光学谐振腔完美的集成在单根微米线结构中，实现了以ZnO近带边发光为主导的纯紫外发光和激光器件；并在此基础上结合大尺寸Pt纳米颗粒对微腔模式的调控，实现了高性能的电驱动单模激光二极管。该文章为宽带隙半导体微腔单模激光器件的设计、构筑与制备提供一种全新的实验方案与器件结构，特别是为基于常用一维微/纳米结构超低阈值激光器的开发提供了新的思路。
该研究成果以" Electrically driven single microwire-based single-mode microlaser "为题在线发表在Light: Science & Applications。
南京航空航天大学物理学院周祥博博士生为第一作者，姜明明研究员、施大宁教授和阚彩侠教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（11974182，11874220）和中央高校基本科研业务费（NC2022008）等项目的支持。
https://www.nature.com/articles/s41377-022-00874-w
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