北京大学は1平方ミクロン未満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体を実現したレーザー光源1平方ミクロン未満
オンチップ光インターコネクト（<10 fJ bit-1）の低消費電力要件を満たすには、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ある。しかし、デバイスサイズが縮小するにつれて、光損失と材料損失が大幅に増加するため、サブミクロンのデバイスサイズとレーザー光源の連続光ポンピングを実現することは極めて困難である。近年、ハライドペロブスカイト材料は、その高い光利得と独特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大きな注目を集めている。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を持つパルス光を必要とする。

この課題に対し、北京大学材料科学工学院の張青教授らの研究グループは、高品質ペロブスカイトサブミクロン単結晶材料を作製することに成功し、デバイス面積がわずか0.65μm²という超小型の連続光ポンピングレーザー光源を実現しました。同時に、光子の挙動も解明しました。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励起子ポラリトンのメカニズムを深く理解することで、小型・低閾値半導体レーザーの開発に新たなアイデアをもたらしました。この研究成果は、「デバイス面積1μm²未満の連続光ポンピングペロブスカイトレーザー」と題され、最近Advanced Materials誌に掲載されました。

本研究では、化学蒸着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壁微小共振器光子が強く結合し、励起子ポラリトンが形成されることを観測した。線形から非線形への発光強度、狭い線幅、発光偏光変換、閾値における空間コヒーレンス変換などの一連の証拠から、サブミクロンサイズのCsPbBr3単結晶の連続光励起蛍光レーザーが確認され、デバイス面積はわずか0.65μm2である。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と同等であり、さらに低くできることもわかった（図1）。

図1. 連続光ポンピングサブミクロンCsPbBr3レーザー光源

さらに、本研究では、実験と理論の両面から検討を行い、サブミクロン連続レーザー光源の実現における励起子分極励起子のメカニズムを明らかにしました。サブミクロンペロブスカイトにおける光子-励起子結合の増強は、群屈折率を約80まで大幅に増加させ、モード利得を大幅に増加させることでモード損失を補償します。これにより、ペロブスカイトサブミクロンレーザー光源は、実効マイクロキャビティ品質係数（Q値）が高く、発光線幅が狭くなります（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. 励起子分極を用いたサブミクロンレーザー光源の仕組み

北京大学材料科学工学院の2020年度志博学生である宋潔鵬氏が本論文の筆頭著者であり、北京大学が本論文の第一ユニットである。清華大学物理学教授の張青氏と熊其華氏が責任著者である。本研究は、中国国家自然科学基金と北京優秀青年科学基金の支援を受けた。