在集成光子学领域，半导体纳米线激光器因其超紧凑特性被视为理想光源。然而现有技术主要依赖III-V族（如GaAs）和II-VI族（如CdS）化合物半导体，这些材料与主导电子产业的硅(Si)工艺存在天然兼容性障碍。更关键的是，传统纳米线激光器难以覆盖2 μm以上中红外波段——这一波段对硅基量子集成电路至关重要，因其能显著降低双光子吸收和瑞利散射效应。尽管锗锡(GeSn)合金作为IV族直接带隙材料理论上能解决这些问题，但十余年来始终未能实现纳米线结构的激光输出，主要受限于材料增益不足与光学损耗过高的双重挑战。
针对这一瓶颈，某研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表突破性成果。研究人员创新性地将应变工程与腔体优化技术结合，首次在单根自下而上生长的GeSn纳米线中实现2.31 μm单模激射，创下同类GeSn激光器最低阈值记录(~5.3 kW cm−2)。这项研究通过20 nm超细锗核纳米线作为柔性生长衬底，配合SiOx应力层沉积和聚焦离子束(FIB)精密铣削，同步解决了材料增益提升与光学损耗控制的矛盾。
关键技术方法包括：采用气-液-固(VLS)法生长Ge/Ge0.90Sn0.10核壳纳米线；等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备-470 MPa压应力SiOx应变调节层；FIB铣削实现腔体端面角度<10°的优化；低温(8 K)傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征激射特性；结合k·p理论模型和三维时域有限差分(3D-FDTD)仿真验证机制。
应变工程与腔体优化的协同设计
通过PECVD沉积207 nm厚SiOx应力层，拉曼图谱显示GeSn壳层应变从-0.3%调整为0%，使材料增益提升3倍。FIB铣削优化的纳米线腔体品质因子(Q)提高20%，光学模式模拟证实端面散射损耗显著降低。
单纳米线激射特性
在8 K低温下，应变-腔体双优化的纳米线表现出典型激射特征：2310 nm单模输出强度骤增10倍，线宽从4.5 nm锐化至0.4 nm；光-光(L-L)曲线呈现"S"型非线性响应，偏振度达90%沿纳米线轴向。阈值功率密度较传统GeSn薄膜激光器降低60%，归因于底部生长纳米线的极低缺陷密度。
温度依赖性与理论验证
激射现象可持续至80 K，100 K时退化为宽谱腔模。k·p理论计算显示：应变归零使净增益峰值从2230 nm红移至2292 nm，与实验观测的2298 nm激射峰高度吻合；阈值增益计算证实仅当应变工程(增益1196 cm−1)与腔体优化(损耗降低22%)协同作用时，净增益才能突破激射阈值。
这项研究首次实现了IV族纳米线激光器，其意义在于：技术上，通过应变-腔体协同调控策略，为硅兼容光源提供了可扩展的制造方案；科学上，证实了GeSn纳米线作为中红外增益介质的可行性，填补了IV族与III-V族纳米线激光器的研究空白。研究者指出，通过进一步提高锡(Sn)含量(>12 at%)和优化热管理，有望将工作温度提升至室温。该成果为开发全IV族中红外光子集成芯片铺平了道路，未来可应用于片上量子传感、自由空间通信等新兴领域。
