北京大学が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

北京大学が連続ペロブスカイトを実現レーザー光源1平方ミクロンより小さい
オンチップ光相互接続（<10 fJ bit-1）の低エネルギー消費要件を満たすには、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す。ただし、デバイスサイズが小さくなるにつれて、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達成することは非常に困難です。近年、ハロゲン化物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、連続光励起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源はすべて、刺激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。

この課題に応えて、北京大学材料科学工学院のZhang Qing氏の研究グループは、高品質のペロブスカイトサブミクロン単結晶材料を調製して、デバイス面積が0.65μm2という連続光ポンピングレーザー光源を実現することに成功した。同時に光子も出現する。サブミクロンの連続光ポンピングレーザー発振プロセスにおける励起子ポラリトンのメカニズムは深く理解されており、小型低閾値半導体レーザーの開発に新しいアイデアを提供します。「デバイス面積 1 μm2 未満の連続波励起ペロブスカイト レーザー」と題された研究結果は、最近 Advanced Materials 誌に掲載されました。

この研究では、無機ペロブスカイト CsPbBr3 単結晶ミクロン シートを化学気相成長法によりサファイア基板上に作製しました。ペロブスカイト励起子と音響壁微小空洞光子との室温での強い結合により、励起子ポラリトンが形成されることが観察された。線形から非線形の発光強度、狭い線幅、発光偏光変換、閾値での空間コヒーレンス変換などの一連の証拠を通じて、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0.65μm2と低いです。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に匹敵し、さらにはそれより低い可能性があることもわかりました（図1）。

図 1. 連続光ポンピングによるサブミクロン CsPbBr3レーザー光源

さらに、この研究は実験と理論の両方を調査し、サブミクロンの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明らかにします。サブミクロンのペロブスカイトにおける光子と励起子の結合が強化されると、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ためにモード利得が大幅に増加します。これにより、より高い実効マイクロキャビティ品質係数とより狭い発光線幅を備えたペロブスカイトサブミクロンレーザー源も得られます (図 2)。このメカニズムは、他の半導体材料をベースにした小型、低閾値レーザーの開発にも新たな洞察をもたらします。

図2 励起子偏光子を利用し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部の2020年度志博学生、宋潔鵬氏がこの論文の筆頭著者であり、北京大学がこの論文の最初のユニットである。Zhang Qing と清華大学物理学教授 Xiong Qihua が責任著者です。この研究は、中国国立自然科学財団と北京優秀青少年科学財団によって支援されました。