[論文レビュー] 1305 nm MoTe2-on-silicon Laser

Hanlin Fang, Jin Liu+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2017

Photonic and Optical Devices被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、シリコンオンインシュレータ（SOI）プラットフォーム上に統合されたモリブデンジテルライド（MoTe₂）を発光材料として用いた、1305 nm の光励起連続波（CW）レーザーを実証している。このデバイスは室温で1.5 kW/cm²の低しきい値を達成し、Oバンド窓における電流駆動可能でオンチップ化可能な2次元半導体レーザーの実現に向けた重要な一歩を示している。

ABSTRACT

The missing piece in the jigsaw of silicon photonics is a light source that can be easily incorporated into the standard silicon fabrication process. Recent advances in the development of atomically thin layers of semiconducting transition metal dichalogenides (TMDs), with direct bandgaps in the near-infrared region, have opened up new possibilities for addressing this need. Here, we report a unique silicon laser source that employs molybdenum ditelluride (MoTe2) as a gain material in a photonic crystal nanocavity resonator, fabricated in silicon-on-insulator. We demonstrate optically pumped MoTe2-on-silicon devices lasing at 1305 nm, i.e. in the centre of the O-band used in optical communications, operating in the continuous-wave (CW) regime, at room temperature and with a threshold power density as low as 1.5 kW/cm2. This 2D-on-silicon geometry offers the promise of an integrated low-cost electrically pumped nanoscale silicon light source, thereby adding an essential building block to the silicon photonics platform.

研究の動機と目的

• 標準的なCMOSプロセスと互換性を持つモノリシックでオンチップのシリコンレーザー光源を開発すること。
• 原子層が薄い遷移金属ジチalcogenides（TMDs）を活用することで、シリコンフォトニクスにおける効率的で統合可能な光源の不足を解決すること。
• 光通信で用いられるOバンドに位置する1305 nm でのレーザー発振を、MoTe₂ を直接ギャップを持つ発光材料として用いて実証すること。
• 2次元（2D）-シリコンハイブリッドプラットフォームで室温下での低しきい値連続波（CW）レーザー発振を達成すること。
• 将来的な電流駆動可能でナノスケールのシリコン光ソースを、統合フォトニクス回路向けに基盤を構築すること。

提案手法

• 光子結晶ナノキャビティをシリコンオンインシュレータ（SOI）ウェーハにフォトリソグラフィーで形成し、光を閉じ込め、光-物質相互作用を強化する。
• モノレイヤー MoTe₂ を機械的剥離法により作製し、SOIナノキャビティ上に転写して発光媒質として用いる。
• 532 nm の光励起を用いて MoTe₂ を励起し、粒子分布の反転と誘導放出を誘発する。
• デバイスは連続波（CW）モードで動作させ、スペクトル解析としきい値出力測定によりレーザー発振を確認する。
• キャビティのQファクターとモードプロファイルを最適化することで、光学的閉じ込めと増幅効果を最大化する。
• レーザー波長を1305 nm にチューニングし、通信用途で用いられる中心Oバンド窓と一致させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MoTe₂ は、シリコンフォトニクスナノキャビティに効果的に統合可能で、室温下でのレーザー発振を達成できるか？
• RQ2 1305 nm での2次元（2D）-シリコンプラットフォームでレーザー発振を達成するために必要な最小励起パワー密度はどの程度か？
• RQ3 高効率で常時環境下で連続波モードで動作可能なレーザーか？
• RQ4 MoTe₂ は、他の2次元TMDsと比較して、レーザーしきい値および波長安定性の面で優れているか？
• RQ5 2D-シリコン幾何構造は、スケーラブルで低コストなオンチップ光ソースのための実用的プラットフォームとして有効か？

主な発見

• MoTe₂-シリコンレーザーは、光ファイバー通信で用いられるOバンドに正確に一致する1305 nm でレーザー発振を達成した。
• 室温下で連続波（CW）モードで動作し、実用的応用の実現可能性を示した。
• 1.5 kW/cm²という低しきい値の励起パワー密度を達成し、高い光学的利得と効率的な光閉じ込めを示した。
• 高品質ファクター（Q）の光子結晶ナノキャビティを用いており、強力なモード閉じ込めと強化された光-物質相互作用を実現した。
• モノレイヤー MoTe₂ をシリコンフォトニクス回路に統合する手法が実験的に検証され、オンチップ統合の可能性を示した。
• 今後の電流駆動可能でナノスケールのシリコン光ソースを基盤とする2次元材料に基づく統合フォトニクス回路向けの基盤を確立した。