[논문 리뷰] Room-temperature continuous-wave operation of organometal halide perovskite lasers

Zhitong Li, Jiyoung Moon외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 03.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 32인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 실온에서 대기 중에서 연속광 펌핑을 이용해 실리콘 기판에 고정된 메틸아미늄 페르로브스카이트(MAPbI3) 레이저에서 연속파 레이저 작동을 입증한다. 이 성취는 열 나노인진트 리소그래피를 통해 실현된 초저항 레이저 임계값(13 W/cm²) 덕분이며, 이는 강한 모드 봉쇄와 향상된 발광 특성을 갖는 고품질 인덕터 캐비티를 생성한다.

ABSTRACT

Solution-processed organic-inorganic lead halide perovskites have recently emerged as promising gain media for tunable semiconductor lasers, and have come to rival inorganic III-V group semiconductors as the material candidate for chip-scale lasers. Although electrically pumped lasing at room temperature is the ultimate goal, optically pumped continuous-wave lasing at room temperature,a prerequisite for a laser diode,has not been achieved so far. Here, we report lasing action in a surface emitting distributed feedback methylammonium lead iodide (MAPbI3) perovskite laser on silicon substrate, at room temperature under continuous-wave optical pumping, in ambient air environment. This outstanding performance is achieved by the ultra-low lasing threshold of 13 W/cm2, which is enabled by the thermal nanoimprint lithography that directly patterns perovskite into a high Q cavity with large mode confinement, while at the same time improves perovskite emission characteristics. Our results represent a major step toward the realization of perovskite laser diodes, which is essential in the future insertion of perovskite lasers into photonic integrated circuits, for applications in optical computing, sensing and on-chip quantum information.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 대기 조건 하에서 유기금속 halide 페르로브스카이트에서 연속파 레이저 작동을 달성하고자 한다.
• 페르로브스카이트 레이저의 실용적 응용을 저해해 온 높은 레이저 임계값 문제를 해결하고자 한다.
• 페르로브스카이트 레이저를 광학 컴퓨팅 및 양자 정보 시스템을 위한 광학 통합 회로에 통합하고자 한다.
• 광학 품질과 모드 봉쇄를 향상시키는 확장 가능한 제조 방법을 시연하고자 한다.

제안 방법

• 열 나노인진트 리소그래피를 사용하여 페르로브스카이트 물질을 실리콘 기판 위에 분산 피드백 구조로 직접 패턴화하였다.
• 제작된 장치는 강한 공간적 모드 봉쇄를 제공하는 고품질 인덕터 캐비티(Q)를 갖추고 있어 레이저 임계값 펌프 전력을 감소시켰다.
• 실온에서 대기 중에서 연속광 펌핑을 적용하여 레이저 성능을 평가하였다.
• 페르로브스카이트 물질인 메틸아미늄 페르로브스카이트(MAPbI3)는 용액 공정을 통해 직접 패턴화된 기판 위에 도포되었다.
• 다양한 펌프 강도에서 발광 스펙트럼 측정을 통해 레이저 임계값 행동을 규명하였다.
• 장치 기하구조를 최적화하여 광학 피드백과 발광 효율을 모두 향상시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페르로브스카이트 레이저는 실온에서 대기 조건 하에서 연속파 작동을 달성할 수 있는가?
• RQ2 페르로브스카이트 기반 분산 피드백 구조에서 레이저 작동을 달성하기 위해 필요한 최소 펌프 강도는 얼마인가?
• RQ3 나노인진트 리소그래피는 페르로브스카이트 레이저의 광학 품질과 모드 봉쇄를 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 용액 공정을 통해 제작된 페르로브스카이트는 냉각 또는 봉쇄 없이도 연속파 레이저 작동을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 페르로브스카이트 레이저는 실온에서 대기 중 조건 하에서 레이저 임계값 펌프 강도가 단지 13 W/cm²로 연속파 레이저 작동을 달성하였다.
• 레이저 방출은 약 770 nm 파장에서 관측되었으며, 좁은 스펙트럼 폭으로 높은 스펙트럼 순도를 나타내었다.
• 열 나노인진트 리소그래피로 제작된 고품질 인덕터 캐비티는 모드 봉쇄를 크게 향상시키고 레이저 임계값을 감소시켰다.
• 연속광 펌핑 조건에서 장기간에 걸쳐 안정적인 레이저 작동이 확인되어 내구성이 뛰어나다는 것을 입증하였다.
• 페르로브스카이트를 실리콘 기판에 직접 통합함으로써 기존 광학 통합 회로 플랫폼과의 호환성이 확보되었다.