室温超薄微盘中的间接带隙激光

背景

半导体激光器的不断小型化一直是一个科学的前沿。众所周知，集成电路的发展使得电子元器件可以到达数nm的尺寸;而与之相对应的有源光元器件则无法做到微电子级别的尺寸。作为有源光器件中的核心的半导体激光器的小型化则尤为受重视，因为小型化之后的半导体激光器可集成在光芯片上，对于光计算、通信和传感等应用至关重要。

近日，来自韩国的高丽大学、庆熙大学、国立蔚山科学技术院的研究人员报告了在超薄WS2微盘中实现激光发射，并证明了50nm厚度的WS2微盘可以提供高效的光学增益和回音壁模式，足以实现室温下连续波(c.w.)激光的产生，该工作“Room-temperature continuous-wave indirect-bandgap transition lasing in an ultra-thin WS2 disk”发表在Nature子刊Nature Photonics上，为间接带隙材料应用于制作高效片上激光器提供了新的思路。

WS2也就是二硫化钨，它的结构为三明治形状，是由S-W-S单元层堆垛而成的，其单元层由一层钨原子和上下两层硫原子层通过共价键连接而成，而层与层之间是以范德华力相结合。

创新方案

在这篇文章中，研究人员报告了在没有外部光腔结构存在的情况下，利用集成了WS2多层超薄层的微盘中间接带隙转移效应来实现激光发射的技术，并将激光器体积控制到与迄今为止报道的最小的半导体纳米激光器大小相当。由于WS2材料的高折射率(n≈4)，一个超薄的WS2微盘(厚度约为50纳米)可以在其间接带隙的波长处(约880纳米)激发回音壁模式(WGMs)。由于WS2微盘同时提供了WGMs和光学增益，腔体的约束因子(增益体积与腔模式体积之比)高达约0.89，激光发射阈值大大降低。此外，多层WS2提供了一个高效的三能级粒子数反转系统，通过激子转变进行有效的载流子泵浦，令载流子快速地弛豫到间接带隙，使衰减时间变得缓慢，因此可以在超薄WS2微盘中观察到室温下连续波间接带隙激光。

在传统的具有单层TMD的激光装置中，由于大多数TMD材料的增益是在可见光波长，腔体材料的选择和所制造的微腔结构的品质因子都受到严重限制。而使用具有高折射率的多层TMD作为无源纳米光子结构可以在超薄的厚度极限内(几十纳米)产生WGMs，器件的示意图如2a所示。图2d中WGM的横截面电场剖面显示了50纳米厚的WS2薄片中紧密束缚的光线。图2e显示了不同WGM模式数的电场轮廓。图2f,g显示了仿真得到的随着微盘直径和厚度的变化而变化的WGM光谱。当材料损失被忽略时，由于WGM的辐射损失导致的品质因子可超过400。

图2：超薄的WS2盘作为WGM腔体。

图3：用光泵浦下的WS2微盘。

TPI 产品

图4：本工作中所用到的特励达普林斯顿仪器产品

HRS300光谱仪(用到150g/mm以及1200g/mm光栅)以及PIXIS400BX相机

本工作中的科研与研发人员在采集微型半导体激光发射光谱时使用了来自特励达普林斯顿仪器的HRS300高性能光谱仪以及PIXIS400BX科研级制冷CCD相机，该系统的高灵敏度保证了目前最小级别半导体激光器发射光谱的顺利采集。

审核编辑 黄宇