背景

半導體激光器的不斷小型化一直是一個科學的前沿。眾所周知，集成電路的發(fā)展使得電子元器件可以到達數(shù)nm的尺寸;而與之相對應的有源光元器件則無法做到微電子級別的尺寸。作為有源光器件中的核心的半導體激光器的小型化則尤為受重視，因為小型化之后的半導體激光器可集成在光芯片上，對于光計算、通信和傳感等應用至關重要。

近日，來自韓國的高麗大學、慶熙大學、國立蔚山科學技術院的研究人員報告了在超薄WS2微盤中實現(xiàn)激光發(fā)射，并證明了50nm厚度的WS2微盤可以提供高效的光學增益和回音壁模式，足以實現(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，它的結構為三明治形狀，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共價鍵連接而成，而層與層之間是以范德華力相結合。

創(chuàng)新方案

在這篇文章中，研究人員報告了在沒有外部光腔結構存在的情況下，利用集成了WS2多層超薄層的微盤中間接帶隙轉移效應來實現(xiàn)激光發(fā)射的技術，并將激光器體積控制到與迄今為止報道的最小的半導體納米激光器大小相當。由于WS2材料的高折射率(n≈4)，一個超薄的WS2微盤(厚度約為50納米)可以在其間接帶隙的波長處(約880納米)激發(fā)回音壁模式(WGMs)。由于WS2微盤同時提供了WGMs和光學增益，腔體的約束因子(增益體積與腔模式體積之比)高達約0.89，激光發(fā)射閾值大大降低。此外，多層WS2提供了一個高效的三能級粒子數(shù)反轉系統(tǒng)，通過激子轉變進行有效的載流子泵浦，令載流子快速地弛豫到間接帶隙，使衰減時間變得緩慢，因此可以在超薄WS2微盤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光波長，腔體材料的選擇和所制造的微腔結構的品質(zhì)因子都受到嚴重限制。而使用具有高折射率的多層TMD作為無源納米光子結構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的橫截面電場剖面顯示了50納米厚的WS2薄片中緊密束縛的光線。圖2e顯示了不同WGM模式數(shù)的電場輪廓。圖2f,g顯示了仿真得到的隨著微盤直徑和厚度的變化而變化的WGM光譜。當材料損失被忽略時，由于WGM的輻射損失導致的品質(zhì)因子可超過400。

圖2：超薄的WS2盤作為WGM腔體。

圖3：用光泵浦下的WS2微盤。

TPI 產(chǎn)品

圖4：本工作中所用到的特勵達普林斯頓儀器產(chǎn)品

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

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

審核編輯 黃宇