[논문 리뷰] Phase-change perovskite tunable microlaser

Jingyi Tian, Giorgio Adamo외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 12.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 30인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 광학 격자로 기능하는 상전이 퍼보스카이트 메타표면을 기반으로 하는 조절 가능한 마이크로레이저를 제시한다. 이는 증폭 매체이자 레이저 공진기 역할을 한다. 구조적 상전이를 겪을 때, 물질은 빠른(1.35 nm/K), 넓은 스펙트럼 조절 범위(근적외선에서 >15 nm), 편광 바이러스 모드 간의 결정적 공간 모드 이동, 히스테리시스를 보이는 광학 이중성 상태를 나타내며, 다중 multiplexing, 센서, LIDAR 응용 분야를 위한 소형·저비용 광학 장치를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Since the invention of the laser, adoption of new gain media and device architectures has provided solutions to a variety of applications requiring specific power, size, spectral, spatial, and temporal tunability. Here we introduce a fundamentally new type of tunable semiconductor laser based on a phase-change perovskite metasurface that acts simultaneously as gain medium and optical cavity. As a proof of principle demonstration, we fabricate a subwavelength-thin perovskite metasurface supporting bound states in the continuum (BICs). Upon the perovskite structural phase transitions, both its refractive index and gain vary substantially, inducing fast (1.35 nm/K rate) and broad spectral tunability (>15 nm in the near-infrared), deterministic spatial mode hopping between polarization vortexes, and hysteretic optical bistability of the microlaser. These features highlight the uniqueness of phase-change perovskite tunable lasers, which may find wide applications in compact and low-cost optical multiplexers, sensors, memories, and LIDARs.

연구 동기 및 목표

• 증폭 기능과 공진기 功能을 통합한 소형·조절 가능한 반도체 레이저를 개발하는 것.
• 퍼보스카이트 물질의 상전이를 활용해 동적 스펙트럼 및 공간 모드 제어를 달성하는 것.
• 서브파장 두께의 장치 구조에서 빠르고 높은 품질 인자(Q)를 갖는 광학 이중성 상태와 빠른 조절 가능성을 입증하는 것.
• 광학 멀티플렉서, 센서, LIDAR와 같은 저비용·통합 광학 시스템에 응용 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 경계 상태가 연속 스펙트럼 내에 존재하는(BICs) 서브파장 두께의 퍼보스카이트 메타표면 제작.
• 퍼보스카이트의 구조적 상전이를 이용해 굴절률과 증폭을 동시에 조절하는 것.
• 경계 상태가 연속 스펙트럼 내에 존재하는(BICs) 방식을 활용해 빛-물질 상호작용을 강화하고 고-Q 광학 모드를 구현하는 것.
• 열 또는 전기 자극을 통해 상전이를 유도하고 레이저 방출 특성을 조절하는 것.
• 근적외선 레이저 측정을 통해 스펙트럼 조절 범위, 모드 이동, 광학 이중성 상태를 특성 분석하는 것.
• 편광 바이러스 모드를 통합해 결정적 공간 모드 전환을 가능하게 하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상전이 퍼보스카이트 메타표면이 마이크로레이저에서 동시에 증폭 매체이자 광학 공진기로 기능할 수 있는가?
• RQ2 퍼보스카이트 기반 마이크로레이저에서 구조적 상전이를 통해 달성 가능한 스펙트럼 조절 범위는 어느 정도인가?
• RQ3 상전이가 편광 바이러스 모드 간의 결정적 공간 모드 이동을 어떻게 유도하는가?
• RQ4 상전이 과정에서 시스템이 히스테리시스를 보이는 광학 이중성 상태를 어느 정도 나타내는가?
• RQ5 실용적인 광학 응용에 적합한 빠르고 넓으며 가역적인 조절이 가능한가?

주요 결과

• 레이저의 스펙트럼 조절 범위가 상전이에 의해 유도된 굴절률 및 증폭 변화로 인해 근적외선 영역에서 15 nm 이상 확보된다.
• 1.35 nm/K의 빠른 스펙트럼 조절 속도를 달성하여 고속 파장 조절이 가능하다.
• 상전이 시 편광 바이러스 모드 간의 결정적 공간 모드 이동이 관측된다.
• 히스테리시스를 보이는 광학 이중성 상태가 관측되어 레이저 상태에서 기억 기능 유사 행동이 나타난다.
• 경계 상태가 연속 스펙트럼 내에 존재하는(BICs) 서브파장 두께의 메타표면으로서 광학 구속력과 레이저 효율을 향상시킨다.
• 단일 퍼보스카이트 메타표면에서 증폭 및 공진기 功能을 동시에 구현해 소형·저비용·조절 가능한 레이저 작동이 가능하다.