[论文解读] 1305 nm MoTe2-on-silicon Laser

Hanlin Fang, Jin Liu+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2017

Photonic and Optical Devices被引用 3

一句话总结

本论文展示了一种基于钼碲化物（MoTe₂）作为增益材料、集成于绝缘体上硅（SOI）平台的硅光子晶体纳米腔中的光学泵浦连续波（CW）激光器，工作波长为1305 nm。该器件在室温下实现了1.5 kW/cm²的低阈值，标志着向实现电泵浦、片上二维半导体激光器在O波段窗口的硅光子学应用迈出了关键一步。

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.

研究动机与目标

• 开发一种与标准CMOS制造工艺兼容的单片集成片上硅激光器源。
• 通过利用原子级厚度的过渡金属二硫属化合物（TMDs），解决硅光子学中高效可集成光源的缺乏问题。
• 展示使用MoTe₂作为直接带隙增益材料，在1305 nm波长实现激光，该波长位于光通信中使用的O波段内。
• 在二维-硅混合平台中实现室温下低阈值连续波激光。
• 为未来电泵浦、纳米尺度硅光子电路用片上光源奠定基础。

提出的方法

• 激光结构采用在绝缘体上硅（SOI）衬底上制备的光子晶体纳米腔，以实现光场约束并增强光-物质相互作用。
• 通过机械剥离法获得单层MoTe₂，并将其转移至SOI纳米腔上，作为增益介质。
• 采用532 nm波长的光学泵浦激发MoTe₂，诱导粒子数反转并产生受激辐射。
• 器件以连续波（CW）模式运行，通过光谱分析和阈值功率测量确认激光特性。
• 通过设计优化腔体Q值和模式分布，以最大化光学限制和增益增强。
• 激光波长被调谐至1305 nm，与光通信中使用的中心O波段窗口匹配。

实验结果

研究问题

• RQ1 MoTe₂能否有效集成于硅光子纳米腔中，实现室温下激光？
• RQ2 在1305 nm波长、二维-硅平台中实现激光所需的最小泵浦功率密度是多少？
• RQ3 该激光器能否在环境条件下以高效率实现连续波模式运行？
• RQ4 与其它二维TMD材料相比，MoTe₂在激光阈值和波长稳定性方面表现如何？
• RQ5 二维-硅结构是否可作为可扩展、低成本的片上光源平台？

主要发现

• MoTe₂-硅激光器在1305 nm波长实现激光，精确位于光通信中使用的O波段内。
• 器件在室温下以连续波（CW）模式运行，证明其在实际应用中的可行性。
• 实现了1.5 kW/cm²的低阈值泵浦功率密度，表明具有高光学增益和高效的光场限制。
• 激光器采用高品质因子（Q）光子晶体纳米腔，实现强模式限制和增强的光-物质相互作用。
• 单层MoTe₂与硅光子电路的集成已通过实验验证，显示出在片上集成方面的巨大潜力。
• 该成果为未来基于二维材料的电泵浦、纳米尺度硅光子源在集成光子电路中的应用奠定了基础平台。