[論文レビュー] Ultra-Low Threshold Monolayer Semiconductor Nanocavity Lasers

Sanfeng Wu, Sonia Buckley+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2015

Photonic Crystals and Applications参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、事前に作製されたフォトニクスクリスタルキャビティ（PhCC）に統合された単層タングステンディサルフィド（WSe2）半導体を用いた連続波、超低しきい値ナノレーザーを提案する。原子的に薄い発光媒質をキャビティ表面に直接配置することで、130 Kでわずか27 nWのレーザーしきい値を達成し、強い励起子的閉じ込めとパールス効果増幅を活用する。これにより、スケーラブルで電気駆動可能かつオンチップ互換性を持つナノレーザーが実現可能となる。

ABSTRACT

Engineering the electromagnetic environment of a nanoscale light emitter by a photonic cavity can significantly enhance its spontaneous emission rate through cavity quantum electrodynamics in the Purcell regime. This effect can greatly reduce the lasing threshold of the emitter, providing the ultimate low-threshold laser system with small footprint, low power consumption and ultrafast modulation. A state-of-the-art ultra-low threshold nanolaser has been successfully developed though embedding quantum dots into photonic crystal cavity (PhCC). However, several core challenges impede the practical applications of this architecture, including the random positions and compositional fluctuations of the dots, extreme difficulty in current injection, and lack of compatibility with electronic circuits. Here, we report a new strategy to lase, where atomically thin crystalline semiconductor, i.e., a tungsten-diselenide (WSe2) monolayer, is nondestructively and deterministically introduced as a gain medium at the surface of a pre-fabricated PhCC. A new type of continuous-wave nanolaser operating in the visible regime is achieved with an optical pumping threshold as low as 27 nW at 130 K, similar to the value achieved in quantum dot PhCC lasers. The key to the lasing action lies in the monolayer nature of the gain medium, which confines direct-gap excitons to within 1 nm of the PhCC surface. The surface-gain geometry allows unprecedented accessibilities to multi-functionalize the gain, enabling electrically pumped operation. Our scheme is scalable and compatible with integrated photonics for on-chip optical communication technologies.

研究の動機と目的

• オンチップ光通信に適した低しきい値、コンact、統合可能なナノレーザーの開発。
• 量子ドットベースのナノレーザーの限界、すなわちランダムな配置、組成の不均一性、電気注入の困難さを克服すること。
• 2次元半導体を事前に作製されたフォトニクスクリスタルキャビティに、決定的かつ破壊的でない方法で統合すること。
• 高い効率と低消費電力で、可視光帯域で連続波動作を達成すること。
• 将来のオプトエレクトロニクス統合に適した、スケーラブルで電子回路と統合可能かつ多機能化可能なプラットフォームを構築すること。

提案手法

• 高品質因子と小モード体積を実現するため、事前に作製されたフォトニクスクリスタルキャビティ（PhCC）を光の共鳴器として用いる。
• 原子層の厚さを有するタングステンディサルフィド（WSe2）単層を、破壊的でないかつ決定的な方法でPhCC表面に転写し、発光媒質として機能させる。
• 単層の直接ギャップ励起子がキャビティ表面から1 nm以内に閉じ込められ、光・物質相互作用とパールス効果増幅を最大化する。
• 光学励起を用いてレーザーを達成し、非放射再結合を最小限に抑えるために130 Kでしきい値出力電力を測定する。
• 表面発光構造により、将来の電気駆動と統合光回路への機能化が可能となる。
• キャビティ量子電磁力学をパールス領域で活用し、自発的放射の増幅とレーザーしきい値の低減を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 事前に作製されたフォトニクスクリスタルキャビティに単層半導体を統合することで、超低しきい値レーザーを達成できるか？
• RQ2 2次元遷移金属ジ chalcogenide の表面統合が、レーザーしきい値および光学的品質因子に与える影響は何か？
• RQ3 2次元半導体発光媒質を用いて、最小限の光学励起電力で可視光帯域で連続波レーザーを達成できるか？
• RQ4 キャビティ表面から1 nm以内に励起子を閉じ込めることが、パールス効果増幅およびレーザー効率に与える影響は何か？
• RQ5 表面発光構造は、電気注入および実用的な光子技術へのオンチップ統合に適しているか？

主な発見

• 130 Kでわずか27 nWの光学励起しきい値を達成した連続波ナノレーザーを実現し、量子ドットベースのPhCCレーザーと同等の性能を示した。
• 単層WSe2発光媒質がPhCC表面から1 nm以内に閉じ込められ、強い光・物質結合と強化されたパールス効果を実現した。
• 2次元半導体の決定的かつ破壊的でない統合により、正確な制御と再現性が可能となり、量子ドット系におけるランダムな配置の問題を克服した。
• 表面発光構造により、電気駆動と機能化への前例のないアクセスが可能となり、将来の電気駆動動作の実現に貢献した。
• スケーラブルであり、既存の統合光子技術および電子回路技術と互換性がある。
• 2次元材料をキャビティ増幅構成で用いることで、超低しきい値レーザーの実現可能性を実証した。これにより、オンチップ光インターロックの道筋が開かれた。