[論文レビュー] Phase-change perovskite tunable microlaser

Jingyi Tian, Giorgio Adamo+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2021

Perovskite Materials and Applications参考文献 30被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、相変態ペロブスカイトメタサーフェスを用いたチューナブルなマイクロレーザーを提案する。このメタサーフェスは、発光媒質としても、光学キャビティとしても機能する。構造的相転移に伴い、材料は高速（1.35 nm/K）、広帯域（近赤外領域で15 nm以上）のスペクトルチューニング、偏光ボーリングの間での決定的空間モードホッピング、およびヒステリックな光的バイステーブルを示し、多重多重通信、センシング、LIDAR用途に適したコンact、低コストな光学デバイスの実現を可能にする。

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.

研究の動機と目的

• 発光とキャビティの機能を統合したコンパクトでチューナブルな半導体レーザーの開発。
• ペロブスカイト材料の相転移を活用して、動的スペクトルおよび空間モード制御を実現。
• サブ波長厚さのデバイス構造において、決定的光的バイステーブルおよび高速チューニングを実証。
• 光学多重器、センサーやLIDARを含む低コストで統合型フォトニクスシステムへの応用を可能にする。

提案手法

• 境界状態が連続体に存在する（BICs）サブ波長厚さのペロブスカイトメタサーフェスの作製。
• ペロブスカイトの構造的相転移を活用し、屈折率と発光効率を同時に制御。
• 境界状態が連続体（BICs）を用いて光・物質相互作用を強化し、高Q光学モードを実現。
• 熱的または電気的刺激を用いて相転移を誘発し、レーザー発光特性をチューニング。
• 近赤外領域でのレーザー測定により、スペクトルチューナブル性、モードホッピング、光的バイステーブルを評価。
• 偏光ボーリングモードの統合により、決定的空間モードスイッチングを実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相変態ペロブスカイトメタサーフェスは、マイクロレーザーにおいて、発光媒質と光学キャビティの両方の機能を同時に果たせるか？
• RQ2 ペロブスカイトベースマイクロレーザーにおける構造的相転移によって達成可能なスペクトルチューナブル性の度合いは何か？
• RQ3 相転移が偏光ボーリングの間で決定的空間モードホッピングをどのように誘発するか？
• RQ4 相転移過程において、システムはどの程度ヒステリックな光的バイステーブルを示すか？
• RQ5 実用フォトニクス応用に適した高速で広帯域かつ可逆的なチューニングが、このデバイスで達成可能か？

主な発見

• レーザーのスペクトルチューナブル性は、屈折率と発光効率の相転移に起因し、近赤外領域で15 nmを超える。
• 1.35 nm/Kという高速なスペクトルチューニングレートを達成し、迅速な波長変調を可能にする。
• 相転移に伴い、偏光ボーリングモード間で決定的空間モードホッピングが観測された。
• ヒステリックな光的バイステーブルが観察され、レーザー状態に記憶特性に類似した挙動が示された。
• 境界状態が連続体（BICs）を有するサブ波長厚さのメタサーフェスとして動作し、光の閉じ込めとレーザー効率が向上した。
• 1つのペロブスカイトメタサーフェスに発光とキャビティの二重機能を統合することで、コンパクトで低コストかつチューナブルなレーザー動作が実現された。