[논문 리뷰] Ultra-Low Threshold Monolayer Semiconductor Nanocavity Lasers

Sanfeng Wu, Sonia Buckley외 9명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 06.

Photonic Crystals and Applications참고 문헌 24인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 사전 제작된 광결정 공진자(PhCC)에 통합된 단일층 텅스텐 디셀레니드(WSe2) 반도체를 기반으로 하는 연속파, 초저임계량 나노레이저를 제시한다. 원자 두께의 증폭 매체를 공진기 표면에 직접 위치시킴으로써, 시스템은 130 K에서 단지 27 nW의 레이저 임계값을 달성하며, 강한 엑시톤 봉쇄와 푸르셀 증폭을 활용하여 확장 가능하고 전기로 구동 가능한, 그리고 칩 내 통합이 가능한 나노레이저를 실현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 칩 내 광학 통신을 위한 저임계량, 소형화 및 통합 가능한 나노레이저를 개발하기 위해.
• 양자점 기반 나노레이저의 한계, 즉 무작위 위치 배치, 조성의 변동성, 전기 주입의 어려움을 극복하기 위해.
• 2차원 반도체를 사전 제작된 광학 공진기에 결정적으로 비파괴적으로 통합하여 증폭 매체로 활용하기 위해.
• 고효율과 저전력 소비로 가시광역에서 연속파 작동을 달성하기 위해.
• 미래의 광전자 통합을 위한 전자 회로와의 호환성 및 다기능화가 가능한 확장 가능한 플랫폼을 창출하기 위해.

제안 방법

• 고품질 인자와 작은 모드 부피를 갖는 빛을 강하게 봉쇄하는 광학 공진기로 사전 제작된 광결정 공진자(PhCC)를 사용한다.
• 비파괴적이고 결정적인 방법으로 단일층 텅스텐 디셀레니드(WSe2)를 PhCC 표면에 전사하여 증폭 매체로 활용한다.
• 단일층의 직접 금속 엑시톤은 공진기 표면으로부터 1 nm 이내에 봉쇄되어 빛-물질 상호작용과 푸르셀 증폭을 극대화한다.
• 레이저 작동을 위해 광학적 펌프를 사용하며, 비방사 재결합을 최소화하기 위해 130 K에서 임계 전력 측정을 실시한다.
• 표면 증폭 기하구조는 향후 전기 구동 및 통합 광학 회로를 위한 기능화를 가능하게 한다.
• 시스템은 푸르셀 영역에서의 공진기 양자전기역학을 활용하여 자발적 방출을 증폭하고 레이저 임계값을 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사전 제작된 광결정 공진기에 단일층 반도체를 통합하여 초저임계량 레이저 작동을 달성할 수 있는가?
• RQ2 2차원 전이 금속 디칼코겐화합물의 표면 통합이 레이저 임계값과 광학 품질 인자에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 최소한의 광학 펌프 전력으로 2차원 반도체 증폭 매체를 사용해 가시광역에서 연속파 레이저 작동을 달성할 수 있는가?
• RQ4 공진기 표면으로부터 1 nm 이내의 엑시톤 봉쇄가 푸르셀 증폭과 레이저 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 표면 증폭 기하구조는 전기 주입과 칩 내 통합을 위한 실용적 광학 응용에 적합한가?

주요 결과

• 130 K에서 단지 27 nW의 광학적 펌프 임계값을 기록한 연속파 나노레이저를 달성하여, 양자점 기반 PhCC 레이저의 성능을 충족한다.
• 단일층 WSe2 증폭 매체는 PhCC 표면으로부터 1 nm 이내에 봉쇄되어 강한 빛-물질 결합과 향상된 푸르셀 효과를 가능하게 한다.
• 2차원 반도체의 결정적이고 비파괴적인 통합은 정밀한 제어와 재현 가능성을 보장하여, 양자점 시스템에서의 무작위 위치 문제를 해결한다.
• 표면 증폭 기하구조는 향후 전기로 구동 가능한 작동을 위한 전기 주입과 기능화에 사전에 접근할 수 있도록 하여, 놀라운 가능성을 열어 놓는다.
• 이 플랫폼은 확장 가능하며 기존의 통합 광학 기술과 전자 회로 기술과 호환된다.
• 2차원 재료를 캐비티 증폭 구조에 적용하여 초저임계량 레이저 작동의 실현 가능성을 입증하였으며, 향후 칩 내 광학 인터커넥트의 길을 열어 놓는다.