一种超强聚焦的微型激光器

光在腔中的集中和时间存储能增强光与物质相互作用，是量子光学基础及激光等众多应用的核心。当前激光器相比电子器件体积大、能耗高，限制了片上光链路应用，而人工智能发展加剧了电互连损耗，推高全球能耗，因此开发超高效微型激光器至关重要，需小型腔体能强空间压缩光且保持低损耗。

自珀塞尔提出小腔可增强原子发射率以来，减小光学模式体积（Vmod）成为研究方向。 plasmonic结构能实现亚衍射极限模式体积，但存在欧姆损耗导致品质因数（Q）低；介电纳米结构通过电磁边界条件可将光限制在亚衍射“热点”且无金属损耗、Q值高。然而，以往被动纳米梁和光子晶体（PhC）激光器的模式场多集中在空气中，类似空结构，削弱了光与物质相互作用，需脉冲泵浦才能激射。

本研究展示了一种兼具光子和电子极端介电限制（EDC）的纳米腔激光器。其核心机制是：用于空间限制光场的机制同时也会集中激发电子的分布，这种光子与载流子的共定位，结合高增益和腔Q值，显著增强光与物质相互作用，实现亚衍射极限模式体积、超低阈值且能在室温连续波（CW）泵浦下工作的纳米激光器。

研究引入“相互作用体积（VI）”作为关键指标，量化光子与载流子的空间重叠程度，反映二者的空间限制程度。对于激光器，阈值功率与阈值载流子数成正比，而阈值载流子数又与VI成正比。传统激光器载流子分布均匀时，VI简化为光学体积；点偶极子极限下，VI接近Vmod。EDC激光器则通过优化，使VI远小于传统激光器。

该器件基于InP薄膜内嵌量子阱制成，通过表面钝化（MOVPE退火修复量子阱、Al₂O₃封装）有效抑制纳米结构中普遍存在的载流子表面复合。在室温光学CW泵浦下，EDC激光器在1535 nm处实现单模激射，线宽窄至0.02 nm（受光谱仪限制），输入-输出曲线呈典型S形，高泵浦功率下因热效应出现波长红移。

与相同工艺制备的PhC H0点缺陷纳米激光器（Vmod=2.2(λ/2n)³）对比，EDC激光器（Vmod=0.88(λ/2n)³）虽Q值较低（约6500 vs 14000），但阈值功率密度仅5 kW/cm⁻²，远低于PhC激光器。模拟和实验表明，EDC结构中光子与载流子均在中心热点高度局域化，空间重叠度大，VI显著减小。泵浦光（尤其是980 nm）通过电磁边界条件形成与激射模式匹配的局域场，实现光子与载流子的自对准；纳米桥将载流子扩散从二维限制为准一维，中心区域更高的自发辐射因子（β）进一步增强相互作用，共同降低阈值。

该EDC激光器解决了载流子体积与电子态、模式体积与腔Q值的传统权衡问题，在保持高增益和Q值的同时大幅降低VI，有望将光与物质相互作用提升到新水平，其原理不仅适用于光源，还可推广到其他光电器件、传感和成像领域。