構建器件面積小于1μm2的連續激光源對滿足片上光互連低能耗要求（<10 fJ bit-1）具有重要意義。然而，隨著器件尺寸的減小，光學和材料損耗顯著增加，因此實現激光光源的亞微米器件尺寸和連續光泵浦極具挑戰。近年來，鹵化物鈣鈦礦材料因其高光學增益和獨特的激子極化激元特性在連續光泵浦激光領域受到廣泛關注。迄今報道的鈣鈦礦連續激光源的器件面積仍大于10μm2，而亞微米激光源均需較高泵浦能量密度的脈沖光進行激發。

針對該挑戰，北京大學材料科學與工程學院張青課題組成功制備了高質量鈣鈦礦亞微米單晶材料，實現連續光泵浦激光源，器件面積低至0.65μm2。同時揭示了光子-激子強耦合區域的一種反常閾值-尺寸構效關系，深入理解激子極化激元在亞微米連續光泵浦激射過程的作用機制，為開發小尺寸低閾值半導體激光器提供了新思路。研究結果以“Continuous-Wave Pumped Perovskite Lasers with Device Area Below 1 μm2”為題，于近日發表在《先進材料》（Advanced Materials）上。

該工作利用化學氣相沉積法在藍寶石襯底上制備了全無機鈣鈦礦CsPbBr3單晶微米片，觀察到室溫下鈣鈦礦激子與回音壁微腔光子發生強耦合，形成激子極化激元。通過發射強度從線性到非線性變化、線寬變窄、發射偏振轉變和閾值處空間相干性轉變等一系列證據，證實了亞微米尺寸CsPbBr3單晶片的連續光泵浦熒光激射，其器件面積最低至0.65μm2。同時發現，亞微米激光光源的閾值與大尺寸激光光源相當，甚至可以更低（圖1）。

圖1.連續光泵浦亞微米CsPbBr3激光光源

進一步，該工作從實驗和理論兩方面進行了探索，揭示了激子極化激元在實現亞微米連續激光源中的作用機制。亞微米尺寸鈣鈦礦中增強的光子-激子耦合作用導致群折射率顯著增大至約80，進而大幅提升其模式增益以補償模式損耗。同時，這也導致鈣鈦礦亞微米激光源可具有更高的有效微腔品質因子和更窄的發射線寬（圖2）。該機制也為開發基于其他半導體材料的小尺寸低閾值激光器提供了新見解。

圖2.利用激子極化激元實現亞微米激光源的作用機制

北京大學材料科學與工程學院2020級直博生宋杰朋為論文第一作者，北京大學為論文第一單位，張青和清華大學物理系熊啟華教授為論文通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金和北京市杰出青年科學基金的支持。