背景

半導(dǎo)體激光器的不斷小型化一直是一個(gè)科學(xué)的前沿。眾所周知，集成電路的發(fā)展使得電子元器件可以到達(dá)數(shù)nm的尺寸;而與之相對(duì)應(yīng)的有源光元器件則無(wú)法做到微電子級(jí)別的尺寸。作為有源光器件中的核心的半導(dǎo)體激光器的小型化則尤為受重視，因?yàn)樾⌒突蟮陌雽?dǎo)體激光器可集成在光芯片上，對(duì)于光計(jì)算、通信和傳感等應(yīng)用至關(guān)重要。

近日，來(lái)自韓國(guó)的高麗大學(xué)、慶熙大學(xué)、國(guó)立蔚山科學(xué)技術(shù)院的研究人員報(bào)告了在超薄WS2微盤(pán)中實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射，并證明了50nm厚度的WS2微盤(pán)可以提供高效的光學(xué)增益和回音壁模式，足以實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)波(c.w.)激光的產(chǎn)生，該工作“Room-temperature continuous-wave indirect-bandgap transition lasing in an ultra-thin WS2 disk”發(fā)表在Nature子刊Nature Photonics上，為間接帶隙材料應(yīng)用于制作高效片上激光器提供了新的思路。

WS2也就是二硫化鎢，它的結(jié)構(gòu)為三明治形狀，是由S-W-S單元層堆垛而成的，其單元層由一層鎢原子和上下兩層硫原子層通過(guò)共價(jià)鍵連接而成，而層與層之間是以范德華力相結(jié)合。

創(chuàng)新方案

在這篇文章中，研究人員報(bào)告了在沒(méi)有外部光腔結(jié)構(gòu)存在的情況下，利用集成了WS2多層超薄層的微盤(pán)中間接帶隙轉(zhuǎn)移效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射的技術(shù)，并將激光器體積控制到與迄今為止報(bào)道的最小的半導(dǎo)體納米激光器大小相當(dāng)。由于WS2材料的高折射率(n≈4)，一個(gè)超薄的WS2微盤(pán)(厚度約為50納米)可以在其間接帶隙的波長(zhǎng)處(約880納米)激發(fā)回音壁模式(WGMs)。由于WS2微盤(pán)同時(shí)提供了WGMs和光學(xué)增益，腔體的約束因子(增益體積與腔模式體積之比)高達(dá)約0.89，激光發(fā)射閾值大大降低。此外，多層WS2提供了一個(gè)高效的三能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)系統(tǒng)，通過(guò)激子轉(zhuǎn)變進(jìn)行有效的載流子泵浦，令載流子快速地弛豫到間接帶隙，使衰減時(shí)間變得緩慢，因此可以在超薄WS2微盤(pán)中觀察到室溫下連續(xù)波間接帶隙激光。

在傳統(tǒng)的具有單層TMD的激光裝置中，由于大多數(shù)TMD材料的增益是在可見(jiàn)光波長(zhǎng)，腔體材料的選擇和所制造的微腔結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因子都受到嚴(yán)重限制。而使用具有高折射率的多層TMD作為無(wú)源納米光子結(jié)構(gòu)可以在超薄的厚度極限內(nèi)(幾十納米)產(chǎn)生WGMs，器件的示意圖如2a所示。圖2d中WGM的橫截面電場(chǎng)剖面顯示了50納米厚的WS2薄片中緊密束縛的光線(xiàn)。圖2e顯示了不同WGM模式數(shù)的電場(chǎng)輪廓。圖2f,g顯示了仿真得到的隨著微盤(pán)直徑和厚度的變化而變化的WGM光譜。當(dāng)材料損失被忽略時(shí)，由于WGM的輻射損失導(dǎo)致的品質(zhì)因子可超過(guò)400。

圖2：超薄的WS2盤(pán)作為WGM腔體。

圖3：用光泵浦下的WS2微盤(pán)。

TPI 產(chǎn)品

圖4：本工作中所用到的特勵(lì)達(dá)普林斯頓儀器產(chǎn)品

HRS300光譜儀(用到150g/mm以及1200g/mm光柵)以及PIXIS400BX相機(jī)

本工作中的科研與研發(fā)人員在采集微型半導(dǎo)體激光發(fā)射光譜時(shí)使用了來(lái)自特勵(lì)達(dá)普林斯頓儀器的HRS300高性能光譜儀以及PIXIS400BX科研級(jí)制冷CCD相機(jī)，該系統(tǒng)的高靈敏度保證了目前最小級(jí)別半導(dǎo)體激光器發(fā)射光譜的順利采集。

審核編輯 黃宇