低功耗、易集成、纳米尺度的激光光源，在未来光信息处理相关的集成化光电子器件以及超分辨成像等领域具有重要应用前景，引起人们广泛研究。半导体纳米线的独特物性使其用于实现高性能、超紧凑纳米尺度激光器具有优势：一方面纳米线材料本身可作为提供高量子效率的增益介质，另一方面纳米线的两个端面间反射可构成法布里-珀罗腔。然而，已报道的纳米线激光器由于其物理尺寸较大，且折射率高，导致其增益光谱范围内出现多模激光输出，对其器件应用形成挑战。例如，在光通信中，多模输出会导致脉冲时域展宽和模间串扰，限制通信带宽。

近日，西北工业大学物理科学与技术学院赵建林教授团队的甘雪涛教授/张旭涛博士，与中科院上海技术物理研究所陆卫/陈平平研究员以及澳大利亚国立大学Jagadish教授等合作，在单纵模、低阈值、近红外波段纳米线激光器方面取得重要研究进展。相关成果以“Ultralow Threshold, Single-Mode InGaAs/GaAs Multiquantum Disk Nanowire Lasers”为题发表于国际知名期刊《ACS Nano》（DOI: 10.1021/acsnano.1c02425）。

图1纳米线的仿真设计及形貌结构

研究团队首先通过数值模型，辅助设计单模纳米线激光器几何结构参数（见图1）。通过减小纳米线直径，限制其所能支持的横模数目；通过减小纳米线长度，增大纵模间距，使其增益光谱范围内仅支持单个模式。另外，为了解决纳米线激光器由于物理尺寸减小而引起的阈值增大问题，研究团队利用有机金属化学气相沉积选区外延技术（SA-MOCVD），可控制备了镓化砷/铟镓砷量子盘纳米线，其规整的形貌、含多个量子盘，保证了低光学损耗和高材料增益。如图2所示，在5 K条件下，利用直径200 nm、长度2.2 μm的纳米线（为已报道纳米线激光器的最小尺寸）实现了低阈值（P_th= 1.6 μJ/cm²）、窄线宽（0.15 nm,Q= 6400），近红外波段（959 nm）的单模输出。

图2 砷化镓/铟镓砷多量子盘纳米线5 K条件下的激光特性

为提升激光器的工作温度，研究团队进一步生长了铝镓砷钝化层来降低纳米线表面非辐射复合。最终，成功实现了室温条件下（300 K），低阈值（P_th= 48 μJ/cm²）、高特征温度（223 K）、高功率（泵浦能量密度为59.5 μJ/cm²时，输出功率0.9μW）的单模激光输出（见图3）。相关研究对开发用于集成光电子芯片、智能光电传感、生物原位检测等领域的高性能纳米尺度相干光源具有重要意义。

图3 砷化镓/铟镓砷/铝镓砷多量子盘核壳结构纳米线室温条件下的激射特性

该论文以西北工业大学为第一作者单位，张旭涛博士和光学工程学科博士生弋瑞轩为共同第一作者，物理科学与技术学院甘雪涛教授、中科院上海技术物理所陈平平、陆卫研究员为共同通信作者。

【文章链接】：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c02425。

（文图：张旭涛/审核：毛东）