低维高品质单模激光光源是实现下一代光电融合芯片的关键物理载体。其核心优势在于将激射模式、能量输运与转换过程高度压缩至纳米尺度，从而在物理本质上突破传统光源的体积、效率与集成瓶颈。这类光源不仅能与现有硅基波导实现低损耗耦合，其窄线宽、高调制速率及低功耗特性，更为片上光互连、微波光子学及量子信息处理提供了理想相干光源。针对该问题，必威BETWAY西汉姆联姜明明研究员、施大宁教授与南京邮电大学朱刚毅教授合作，在学术期刊Chip发表了题为 Platinum nanoparticles engineered external-cavity-free single-mode microlasers beyond cavity-size and configuration constraints（突破腔体尺寸与结构限制的铂纳米颗粒调控无外腔单模微激光器）的研究论文。本文通过将大尺寸铂纳米颗粒与ZnO:Ga微米线集成，利用其等离子体共振与增益光谱的精确匹配，首次实现了一种与腔体尺寸和构型无关的高性能单模激光机制，在保持高Q值与低阈值的同时，为片上电泵浦微纳激光器提供了可扩展的解决方案。

https://doi.org/10.1016/j.chip.2025.100180

研究背景

半导体单模激光器因其极高的光谱纯度、优异的相干性和超低的噪声特性，在片上光互连、超高分辨率生物传感及量子信息处理等前沿领域具有不可替代的应用价值。然而，如何在不依赖复杂制造工艺（如分布式布拉格反射镜DBRs）或耦合腔结构（Vernier效应）的前提下，实现稳定且不再受限于特定谐振模式（如回音壁模式，WGM或法布里-珀罗，F-P模式）的单模激光，仍是微腔激光器设计与构筑面临的一大挑战。传统的腔体微型化策略虽然可以通过扩大自由光谱范围（FSR）来强制实现单模，但往往以牺牲增益体积和增加光学损耗为代价，导致激光阈值升高和输出效率降低。因此，开发一种不受腔体尺寸限制、无需外腔且适用于不同谐振模式的通用单模调制策略，是实现高性能片上集成光子系统的关键。

主要内容

研究团队针对独立微激光器难以兼顾单模选择与低阈值运行的瓶颈，提出了一种基于铂纳米颗粒（PtNPs）表面修饰的创新调控策略。该工作利用磁控溅射结合热退火工艺，在ZnO:Ga微米线表面制备了尺寸可调的PtNPs，发现随着PtNPs直径增大至150 nm，激光器输出可从多模过渡为极高光谱纯度的单模。这一调控机制源于“增益光谱调制”与“载流子动力学”的双重协同作用：一方面，150 nm PtNPs表现出与ZnO增益谱（~390 nm）高度重叠的局域表面等离激元共振（LSPR）峰，这种精确的光谱对齐显著增强了微腔内的光场局域能力，通过重塑模态增益分布实现了对特定模式的优先放大与筛选；另一方面，超快瞬态吸收光谱（TA）证实，PtNPs的引入加速了热载流子的冷却过程，有效抑制了高载流子浓度下的非辐射俄歇复合损耗，从而在实现单模的同时显著降低了激射阈值。得益于此，该策略彻底打破了对特定腔体尺寸与几何结构（如F-P或WGM模式）的依赖，在不同直径和形貌的微米线中均实现了普适、稳健且高品质因子（Q值）的单模激光输出。

创新点

本文提出并验证了一种不依赖谐振腔尺寸与构型的普适性单模激光产生机制，成功突破了传统微腔激光器在小型化与模式控制之间的根本矛盾。其创新成果可系统归纳如下：

1. 机制创新：提出“等离子体共振-增益谱对齐”的腔型无关模式调控新原理。本文摒弃了依赖复杂外腔或极端尺寸压缩的传统思路，创新性地利用大尺寸铂纳米颗粒（PtNPs，~150 nm）的局域表面等离子体共振，通过精确调控其共振峰与ZnO:Ga增益谱（~389 nm）对齐，重塑腔内模式净增益分布。该原理直接作用于增益介质本身，通过增强光子局域与调制损耗谱，实现单一模式的优先放大，从而在无需改变腔体物理尺寸或谐振模式（FP或WGM） 的前提下，实现从多模到高纯度单模的可靠转换。

2. 材料与制备创新：发展可精确调控的“磁控溅射-热退火”纳米粒子集成工艺。本研究开发了一种简易、可扩展的制备方法，通过控制磁控溅射时间，可在ZnO:Ga微米线表面实现粒径（90 nm, 120 nm, 150 nm）精确可控且分布均匀的PtNPs修饰。该工艺避免了复杂的纳米光刻或异质外延，保持了微腔结构的完整性，为大规模、可重复制备高性能等离子体激光器件提供了可靠的技术路径。

3. 性能突破：同时实现低阈值、高Q值与强模式选择，打破传统制约关系。传统微腔激光器中，模式选择（如通过缩小尺寸增加FSR）往往以牺牲增益体积、加剧损耗并导致Q值下降和阈值升高为代价。本文方案同步实现了三大性能提升：激射阈值显著降低（例如从104.2 μJ/cm²降至61.2 μJ/cm²）、保持较高Q因子（~3600）、并实现稳定的动态单模激射。这证明了等离子体增强策略能够超越增益与损耗的经典权衡。

4. 普适性验证：首次实现跨尺寸、跨腔构型的普适单模激射。在直径从7.0 μm至22.1 μm的多种ZnO:Ga微米线（对应不同FSR）上，均通过150 nm PtNPs修饰实现了稳定的单模激射。该策略对谐振模式构型同样“无感”，成功在原本支持多模FP谐振的四边形微线和支持WGM的六边形微线上，均实现了单模输出，证明了其超越特定腔几何限制的普适调控能力。

5. 物理机理深化：揭示了等离子体增强与热载流子冷却协同作用的微观机制。通过瞬态吸收光谱证实，PtNPs的引入加速了热载流子冷却过程，有效抑制了高载流子浓度下的俄歇复合损耗，此为阈值降低提供了关键的非辐射复合抑制通道。有限元仿真直观展示了PtNPs对腔内电场分布的增强效应，结合实验与模拟，完整阐明了等离子体共振增强光学限制与热载流子动力学调制共同作用的物理图像。

总结而言，本工作从物理原理、材料集成到器件性能，均实现了范式级的创新。它不仅报道了一种高性能单模微激光器，更重要的是提供了一种“腔型解耦”的崭新设计思路，为未来实现高密度、可扩展的片上电泵浦单模激光光源，扫清了一个关键的技术障碍。 这项研究将等离子体光子学与低维半导体激光的融合推向了新的高度，对集成光子学、传感与量子信息处理等领域具有重要的启发意义。

总结

该研究提出并实现了一种基于大尺寸PtNPs修饰的新型微激光器实现方案。证明了通过精准调控界面处的等离激元共振与半导体增益谱的匹配关系，可以在无需复杂制造工艺或构建耦合腔体的前提下，同时实现高光谱纯度的单模选择与激射阈值的显著降低。更重要的是，该工作深入揭示了金属纳米结构在“光场局域增强”与“载流子动力学调控”方面的双重协同机制：即利用表面等离激元共振重塑增益谱，并借助加速热载流子冷却效应抑制高激发密度下的俄歇复合。这种独特的机制使得该模式调控方案展现出优异的鲁棒性与普适性，使其能够适应不同的微腔几何形状（如WGM或F-P模式）与尺寸限制，始终保持稳定的单模输出。该成果为低维半导体与金属纳米结构混合体系的光物理研究提供了新的理论支撑，也为光泵浦原型器件走向实际电驱动应用提供了重要参考。该技术为开发紧凑、低阈值、易于集成的电泵浦单模微纳激光器奠定了坚实基础，有望直接应用于高密度光互连、片上传感与光谱学、以及量子信息处理等前沿领域，推动从光泵浦原型向实用化、电驱动集成光子芯片的关键跨越。

期刊介绍

Chip是全球唯一聚焦芯片类研究的综合性国际期刊，由上海交通大学出版，联合Elsevier集团全球发行，并与多家国内外知名学术组织展开合作，为学术会议提供高质量交流平台。最新影响因子为7.1，在所属电子电气工程、光学、应用物理领域均位列Q1区。

项目支持

作者感谢国家自然科学基金（12374257）、BETWA西汉姆联博士研究生跨学科创新基金（KXKCXJJ202406）、BETWA西汉姆联博士生短期访学项目（No. 240905DF08）及江苏省研究生科研与实践创新计划（KYCX24_0529, KYCX25_0638）的支持。

图1：PtNPs@ZnO:Ga复合结构的制备及基础表征。（a）ZnO:Ga微米线的光学照片，（b）PtNPs@ZnO:Ga复合结构制备流程示意图，（c-h）PtNPs@ZnO:Ga复合结构扫描电子显微镜图像，（i）元素分布图。

图2：PtNPs修饰前后ZnO:Ga微米线的光泵浦激光性能。未修饰样品（a）、90 nm PtNPs（b）、120 nm PtNPs（c）以及150 nm PtNPs（d）修饰样品的光泵浦激光，未修饰与150 nm PtNPs样品单个光谱分析（e）、阈值分析（f），（g-h）150 nm PtNPs修饰样品的光泵浦激光极化特性。 

图3：不同直径ZnO:Ga微米线在PtNPs修饰前后的光泵浦激光性能。14.6 μm（a）与7.0 μm（b）的样品在PtNPs修饰前后的光泵浦激光，14.6 μm（c）与7.0 μm（d）的样品在PtNPs修饰前后的阈值分析。 

图4：PtNPs修饰前后ZnO:Ga微米线的载流子动力学分析。（a-d）PtNPs修饰前后ZnO:Ga微米线的瞬态吸收光谱mapping，（e-h）PtNPs修饰前后ZnO:Ga微米线在不同延迟时间下的瞬态吸收光谱，（i-l）PtNPs修饰前后ZnO:Ga微米线的热载流子冷却过程分析。

图5：PtNPs修饰前后ZnO:Ga微米线的模式调控分析。（a-d）PtNPs修饰前后ZnO:Ga微米线的电场分布模拟，（e-f）PtNPs修饰前后ZnO:Ga微米线增益光谱调控，（g-h）PtNPs吸收光谱的模拟及实验值。

文章网址：https://doi.org/10.1016/j.chip.2025.100180

DOI: 10.1016/j.chip.2025.100180