北京大学は、1平方ミクロン以下のペロブスカイト連続レーザー光源を実現した。

北京大学はペロブスカイト連続構造を実現したレーザー光源1平方ミクロン未満
オンチップ光相互接続の低エネルギー消費要件（<10 fJ bit-1）を満たすためには、デバイス面積が 1μm2 未満の連続レーザー光源を構築することが重要です。しかし、デバイスサイズが小さくなるにつれて、光学的損失と材料損失が大幅に増加するため、サブミクロンサイズのデバイスとレーザー光源の連続光ポンピングを実現することは非常に困難です。近年、ハロゲン化ペロブスカイト材料は、その高い光利得と独自の励起子ポラリトン特性により、連続光ポンピングレーザーの分野で広く注目されています。これまでに報告されているペロブスカイト連続レーザー光源のデバイス面積は依然として 10μm2 を超えており、サブミクロンレーザー光源はすべて、励起するためにより高いポンプエネルギー密度のパルス光を必要とします。

この課題に対し、北京大学材料科学工学部の張慶研究グループは、0.65μm2という極めて小さなデバイス面積で連続光ポンピングレーザー光源を実現するため、高品質のペロブスカイトサブミクロン単結晶材料の作製に成功した。同時に、サブミクロン連続光ポンピングレーザー発振過程におけるフォトン・エキシトンポラリトンのメカニズムを深く理解し、小型低閾値半導体レーザーの開発に新たな着想を与えた。この研究成果は、「デバイス面積1μm2以下の連続波ポンピングペロブスカイトレーザー」と題され、最近Advanced Materials誌に掲載された。

本研究では、化学気相成長法によりサファイア基板上に無機ペロブスカイトCsPbBr3単結晶ミクロンシートを作製した。室温でペロブスカイト励起子と音響壁マイクロキャビティ光子との強い結合により励起子ポラリトンが形成されることが観察された。線形から非線形への発光強度、狭い線幅、閾値での発光偏光変換および空間コヒーレンス変換などの一連の証拠により、サブミクロンサイズのCsPbBr3単結晶の連続光ポンピング蛍光レーザーが確認され、デバイス面積は0.65μm2と小さいことがわかった。同時に、サブミクロンレーザー光源の閾値は大型レーザー光源の閾値と同程度であり、さらに低い場合もあることがわかった（図1）。

図1. 連続光ポンピングされたサブミクロンCsPbBr3レーザー光源

さらに、本研究では、実験的および理論的に、サブミクロン連続レーザー光源の実現における励起子偏極励起子のメカニズムを解明しました。サブミクロンペロブスカイトにおける光子-励起子結合の強化により、群屈折率が約80まで大幅に増加し、モード損失を補償するモード利得が大幅に増加します。これにより、実効マイクロキャビティ品質係数が高く、発光線幅が狭いペロブスカイトサブミクロンレーザー光源が実現します（図2）。このメカニズムは、他の半導体材料を用いた小型低閾値レーザーの開発にも新たな知見をもたらします。

図2．励起子偏光子を用いたサブミクロンレーザー光源のメカニズム

北京大学材料科学与工程学院の2020年度志博奨学生である宋傑鵬氏が本論文の筆頭著者であり、北京大学が論文の第一所属機関である。張慶氏と清華大学物理学教授の熊啓華氏が責任著者である。本研究は、中国国家自然科学基金および北京市優秀青年科学基金の支援を受けた。