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南科大领衔开发新型胶体量子点激光阵列，室温下连续工作1000小时，对应3.6亿次稳定脉冲激射，助力打造非外延半导体激

文章来源：新材料网更新时间：2025-07-08 16:25:15

近日，南方科技大学王恺教授和合作者将具有合金化渐变核壳结构的胶体量子点材料与具有强光场束缚能力的环形布拉格微腔（CBR，circular Bragg resonator）结合，让胶体量子点激光器的激发阈值低至 17μJ/cm²，并让其能够在室温下连续工作 1000 小时，对应 3.6 亿次稳定脉冲激射，同时实现了 2100 点每英寸的更高集成密度，借此让胶体量子点激光器变得更易驱动、更耐用，为进一步实现二极管泵浦乃至电泵浦胶体量子点激射打下良好基础。
要让胶体量子点激光器既高效、又稳定且易于集成，关键在于“光场调控三要素”：

首先，要实现光场与胶体量子点增益介质的有效耦合，关于此要素以光学限制因子 Γ 来评估，以便确保光场与胶体量子点充分“握手”，从而避免能量浪费。

其次，要使用尽可能强的光场束缚，关于此要素以模式体积 V 来评估，通过把光压缩到亚微米级空间，从而让能量密度实现飙升。

再次，要实现与胶体量子点增益谱匹配的强 Purcell 效应，关于此要素以 Purcell 因子 F_P 来计算，即利用强光场环境来提升胶体量子点的发光效率，进而实现降低激光阈值的目的。
然而，传统胶体量子点垂直腔面发射激光器（VCSEL，vertical-cavity surface-emitting laser）的光场调控就像一款“单层夹心饼干”，只能在上下（Z 轴）方向压缩光场，这就导致光学限制因子较低，同时压缩度也比较低。

为此，他们开发了这种胶体量子点环形布拉格微腔激光器，借助在 XY 平面上的环形布拉格光栅结构，实现了光场束缚由垂直腔面发射激光器的一维到二维的升维。

在该器件中，胶体量子点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，构建出完整的环形布拉格微腔谐振腔。

基于数值仿真结果表明：得益于其高效的光场束缚，胶体量子点环形布拉格微腔激光腔内的模式体积 V 相对胶体量子点垂直腔面发射激光器下降了一个量级，与此同时光学限制因子 Γ 和 Purcell 因子 F_P 也得到了显著提升。
得益于环形布拉格微腔微腔内光学限制因子 Γ 和 Purcell 因子 F_P 的大幅提升，基于环形布拉格微腔的胶体量子点激光器阵列在三个方面上实现了性能提升：

其一，激射阈值从 56μJ/cm² 降至 17μJ/cm²，在已报道的胶体量子点激光中处于最低阈值之列。其能以相对低成本的 0.3ns 准纳秒实现激光驱动，从而能够增强实用性。

其二，由强光场束缚带来的小模式体积 V 使得胶体量子点环形布拉格微腔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，是当前胶体量子点面发射激光器阵列的最高水平。

其三，协同高质量的胶体量子点材料与环形布拉格微腔，胶体量子点环形布拉格微腔激光器展现出良好的工作稳定性，其室温连续工作寿命长达 1000 小时，对应 3.6 亿次的稳定脉冲激射，两者均为已报道的溶液处理的纳米晶激光器中的最佳值。
尽管目前以胶体量子点激光器为代表的非外延激光器尚未实现大规模商业化，但是随着技术的逐步发展与成熟，其在连续波长可调、易于异质集成、低成本等方面具有的其独特优势，或将催生新型光电器件及其新的应用场景。

例如，预计有望通过硅基异质集成技术实现基于胶体量子点激光器的片上激光器（On-Chip Laser），为硅光芯片提供波长调谐范围大、集成度高、成本较低的新型片上激光器，推动硅光芯片在数据中心光互连、量子信息、生物医疗、健康监测、智能传感等领域的应用。

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