Peking University realiserte en kontinuerlig perovskittlaserkilde mindre enn 1 kvadratmikron

Peking University realiserte en kontinuerlig perovskittlaserkildemindre enn 1 kvadratmikron
Det er viktig å konstruere en kontinuerlig laserkilde med et enhetsareal på mindre enn 1 μm2 for å oppfylle kravet til lavt energiforbruk for optisk sammenkobling på brikken (<10 fJ bit-1). Men etter hvert som enhetsstørrelsen reduseres, øker de optiske og materialtap betydelig, så det er ekstremt utfordrende å oppnå submikron enhetsstørrelse og kontinuerlig optisk pumping av laserkilder. I de senere år har halogenidperovskittmaterialer fått omfattende oppmerksomhet innen kontinuerlig optisk pumpede lasere på grunn av deres høye optiske forsterkning og unike eksitonpolaritonegenskaper. Enhetsarealet til perovskitt kontinuerlige laserkilder som er rapportert så langt, er fortsatt større enn 10 μm2, og submikronlaserkilder krever alle pulserende lys med høyere pumpeenergitetthet for å stimulere.

Som svar på denne utfordringen har forskergruppen til Zhang Qing fra School of Materials Science and Engineering ved Peking University lyktes med å fremstille perovskitt-submikron-enkrystallmaterialer av høy kvalitet for å oppnå kontinuerlige optiske pumpende laserkilder med et enhetsareal så lavt som 0,65 μm2. Samtidig avsløres fotonet. Mekanismen bak eksitonpolariton i den submikron kontinuerlige optisk pumpede laserprosessen er dypt forstått, noe som gir en ny idé for utvikling av små halvlederlasere med lav terskel. Resultatene av studien, med tittelen «Continuous Wave Pumped Perovskite Lasers with Device Area Below 1 μm2», ble nylig publisert i Advanced Materials.

I dette arbeidet ble det uorganiske perovskitt CsPbBr3-enkeltkrystallmikronarket fremstilt på safirsubstrat ved kjemisk dampavsetning. Det ble observert at den sterke koblingen av perovskitt-eksitoner med lydveggens mikrokavitetsfotoner ved romtemperatur resulterte i dannelsen av eksitonisk polariton. Gjennom en rekke bevis, som lineær til ikke-lineær emisjonsintensitet, smal linjebredde, emisjonspolarisasjonstransformasjon og romlig koherenstransformasjon ved terskel, bekreftes den kontinuerlige optisk pumpede fluorescenslasen til CsPbBr3-enkeltkrystall av submikronstørrelse, og enhetsarealet er så lavt som 0,65 μm2. Samtidig ble det funnet at terskelen til submikronlaserkilden er sammenlignbar med den for den store laserkilden, og kan til og med være lavere (figur 1).

Figur 1. Kontinuerlig optisk pumpet submikron CsPbBr3laserlyskilde

Videre utforsker dette arbeidet både eksperimentelt og teoretisk, og avslører mekanismen bak eksiton-polariserte eksitoner i realiseringen av submikron kontinuerlige laserkilder. Den forbedrede foton-eksiton-koblingen i submikron perovskitter resulterer i en betydelig økning i gruppens brytningsindeks til omtrent 80, noe som øker modusforsterkningen betydelig for å kompensere for modustapet. Dette resulterer også i en perovskitt submikron laserkilde med en høyere effektiv mikrokavitetskvalitetsfaktor og en smalere emisjonslinjebredde (figur 2). Mekanismen gir også ny innsikt i utviklingen av små lasere med lav terskel basert på andre halvledermaterialer.

Figur 2. Mekanisme for submikronlaserkilde ved bruk av eksitoniske polarisoner

Song Jiepeng, en Zhibo-student fra School of Materials Science and Engineering ved Peking University i 2020, er førsteforfatter av artikkelen, og Peking University er den første enheten i artikkelen. Zhang Qing og Xiong Qihua, professor i fysikk ved Tsinghua University, er korresponderende forfattere. Arbeidet ble støttet av National Natural Science Foundation of China og Beijing Science Foundation for Outstanding Young People.