[논문 리뷰] 1305 nm MoTe2-on-silicon Laser

Hanlin Fang, Jin Liu외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 04.

Photonic and Optical Devices인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 온 인슐레이터 플랫폼에 통합된 몰리브데넘 디텔루라이드(MoTe₂)를 증폭 물질로 사용하여 1305 nm에서 광학적 펌핑을 받는 연속파(CW) 레이저를 구현한다. 장치는 실온에서 1.5 kW/cm²의 낮은 레이저 진입 임계값을 달성하여 실리콘 포토닉스 분야에서 O밴드 창에서 전기적 펌핑이 가능한 온칩 2차원 반도체 레이저로의 핵심 단계를 마련한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준 CMOS 제조 공정과 호환되는 단일결합 온칩 실리콘 레이저 소스를 개발하는 것.
• 원자 두께의 전이 금속 디할화합물(TMDs)을 활용하여 실리콘 포토닉스에서 효율적이고 통합 가능한 빛의 소스 부족 문제를 해결하는 것.
• 광통신에 사용되는 O밴드 창 내에 위치한 1305 nm에서 직접 금속 간극을 가진 증폭 물질로 MoTe₂를 사용하여 레이저 작동을 입증하는 것.
• 2차원-실리콘 하이브리드 플랫폼에서 실온에서 낮은 임계값의 연속파 레이저 작동을 달성하는 것.
• 향후 전기적 펌핑이 가능한 나노스케일 실리콘 빛 소스를 위한 기반 플랫폼을 구축하는 것.

제안 방법

• 광학 격자 나노공진기 구조는 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼에서 제작되어 빛을 갇히고 빛-물질 상호작용을 강화한다.
• 단일층 MoTe₂는 기계적 분리법으로 제작되어 SOI 나노공진기 위에 이식되어 증폭 매체로 기능한다.
• 532 nm에서의 광학적 펌핑을 통해 MoTe₂를 자극하여 인version과 자발적 방출을 유도한다.
• 장치는 연속파(CW) 모드로 작동하며 스펙트럼 분석 및 임계력 측정을 통해 레이저 작동 여부를 확인한다.
• 공진기-Q 인자와 모드 프로파일을 설계하여 최대한의 광학적 구속과 증폭 강화를 달성한다.
• 레이저 파장은 통신용으로 사용되는 중심 O밴드 창과 일치하도록 1305 nm로 조정된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MoTe₂는 실리콘 포토닉 나노공진기에 효과적으로 통합되어 실온에서 레이저 작동을 이룰 수 있는가?
• RQ2 1305 nm에서 2차원-실리콘 플랫폼에서 레이저를 유도하기 위해 필요한 최소 펌프 전력 밀도는 얼마인가?
• RQ3 고효율을 유지하면서 실온에서 대기 조건 하에서 연속파 모드로 작동할 수 있는가?
• RQ4 다른 2차원 TMDs와 비교해 MoTe₂의 레이저 임계값과 파장 안정성은 어떠한가?
• RQ5 2차원-실리콘 기반 기하학은 향후 확장 가능하고 저비용의 온칩 빛 소스 플랫폼으로 타당한가?

주요 결과

• MoTe₂-기반 실리콘 레이저는 광섬유 통신에서 사용되는 O밴드 창 내 정확히 1305 nm에서 레이저 작동을 달성한다.
• 장치는 실온에서 연속파(CW) 모드로 작동하여 실세계 응용에 대한 실용성을 입증한다.
• 낮은 임계값 펌프 전력 밀도 1.5 kW/cm²를 달성하여 높은 광학적 증폭과 효율적인 빛 구속을 나타낸다.
• 고품질 인자(Q)를 가진 광학 격자 나노공진기를 사용하여 강력한 모드 구속과 향상된 빛-물질 상호작용을 실현한다.
• 단일층 MoTe₂와 실리콘 포토닉 회로의 통합은 실험적으로 검증되었으며, 온칩 통합에 대한 잠재력을 보여준다.
• 결과적으로 2차원 물질 기반의 향후 전기적 펌핑이 가능한 나노스케일 실리콘 빛 소스를 위한 기초 플랫폼을 확립한다.