Пекинский университет реализовал непрерывную перовскитную технологию.лазерный источникменьше 1 квадратного микрона
Для обеспечения низкого энергопотребления внутрикристальных оптических межсоединений (<10 фДж/бит) важно создать источник непрерывного лазерного излучения с площадью устройства менее 1 мкм². Однако по мере уменьшения размера устройства значительно возрастают оптические и материальные потери, поэтому достижение субмикронных размеров устройства и непрерывной оптической накачки лазерных источников является чрезвычайно сложной задачей. В последние годы галогенидные перовскитные материалы привлекают широкое внимание в области лазеров с непрерывной оптической накачкой благодаря их высокому оптическому усилению и уникальным свойствам экситонных поляритонов. Площадь устройства перовскитных источников непрерывного лазерного излучения, о которых сообщалось до сих пор, по-прежнему превышает 10 мкм², а для стимуляции субмикронных лазерных источников требуется импульсный свет с более высокой плотностью энергии накачки.
В ответ на этот вызов исследовательская группа Чжан Цина из Школы материаловедения и инженерии Пекинского университета успешно получила высококачественные субмикронные монокристаллические материалы на основе перовскита для создания лазерных источников с непрерывной оптической накачкой и площадью устройства всего 0,65 мкм². Одновременно был раскрыт механизм экситонного поляритона в процессе непрерывной оптической накачки в субмикронном диапазоне, что открывает новые возможности для разработки малогабаритных полупроводниковых лазеров с низким порогом генерации. Результаты исследования, озаглавленные «Лазеры на основе перовскита с непрерывной накачкой и площадью устройства менее 1 мкм²», были недавно опубликованы в журнале Advanced Materials.
В данной работе методом химического осаждения из газовой фазы был получен микрокристаллический монокристалл неорганического перовскита CsPbBr3 на сапфировой подложке. Было обнаружено, что сильная связь экситонов перовскита с фотонами микрорезонатора при комнатной температуре приводит к образованию экситонного поляритона. На основании ряда доказательств, таких как переход от линейной к нелинейной интенсивности излучения, узкая ширина линии, преобразование поляризации излучения и преобразование пространственной когерентности на пороговом уровне, подтверждено непрерывное оптически накачиваемое флуоресцентное лазерное излучение субмикронного монокристалла CsPbBr3, при этом площадь устройства составляет всего 0,65 мкм². Одновременно было установлено, что пороговое значение субмикронного лазерного источника сопоставимо с пороговым значением лазерного источника большого размера и может быть даже ниже (рис. 1).
Рисунок 1. Непрерывная оптическая накачка субмикронного CsPbBr3лазерный источник света
Кроме того, в данной работе экспериментально и теоретически исследуется механизм экситон-поляризованных экситонов при создании субмикронных непрерывных лазерных источников. Усиленная связь фотонов и экситонов в субмикронных перовскитах приводит к значительному увеличению группового показателя преломления примерно до 80, что существенно увеличивает усиление моды для компенсации потерь в моде. Это также приводит к созданию перовскитного субмикронного лазерного источника с более высоким эффективным коэффициентом качества микрорезонатора и более узкой шириной линии излучения (рис. 2). Механизм также дает новые представления о разработке малогабаритных лазеров с низким порогом на основе других полупроводниковых материалов.
Рисунок 2. Механизм работы субмикронного лазерного источника с использованием экситонных поляризонов.
Сун Цзепэн, студент факультета материаловедения и инженерии Пекинского университета, окончивший обучение в Чжибо в 2020 году, является первым автором статьи, а Пекинский университет – первым подразделением, разработавшим статью. Чжан Цин и Сюн Цихуа, профессор физики Университета Цинхуа, являются ответственными авторами. Работа выполнена при поддержке Национального фонда естественных наук Китая и Пекинского научного фонда для выдающихся молодых ученых.
Дата публикации: 12 сентября 2023 г.