[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一种基于可相变钙钛矿超表面的可调谐微激光器，该超表面同时充当增益介质和光学谐振腔。在结构相变过程中，该材料表现出快速（1.35 nm/K）、宽范围的光谱可调谐性（近红外波段超过15 nm）、偏振涡旋之间的确定性空间模式跃迁，以及具有滞后特性的光学双稳态，从而实现了用于复 multiplexing、传感和 LIDAR 应用的紧凑型、低成本光学生器。

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.

研究动机与目标

• 开发一种集增益与谐振腔功能于一体的紧凑型可调谐半导体激光器。
• 利用钙钛矿材料的相变实现动态光谱与空间模式调控。
• 在亚波长厚度的器件结构中实现确定性光学双稳态与快速可调谐性。
• 实现低功耗、集成化光子系统在光学复 multiplexer、传感器和 LIDAR 等应用中的实用化。

提出的方法

• 制备支持连续态束缚态（BICs）的亚波长厚度钙钛矿超表面。
• 利用钙钛矿的结构相变同时调制折射率与增益。
• 利用连续态束缚态（BICs）增强光与物质相互作用，实现高品质因子光学模式。
• 通过热或电刺激诱导相变，调节激光发射特性。
• 通过近红外激光测量表征光谱可调谐性、模式跃迁与光学双稳态。
• 集成偏振涡旋模式，实现确定性空间模式切换。

实验结果

研究问题

• RQ1 可相变钙钛矿超表面是否能在微激光器中同时充当增益介质与光学谐振腔？
• RQ2 通过钙钛矿基微激光器中的结构相变，可实现多大的光谱可调谐范围？
• RQ3 相变如何诱导偏振涡旋之间确定性的空间模式跃迁？
• RQ4 在相变过程中，该系统在多大程度上表现出滞后特性的光学双稳态？
• RQ5 该器件是否能够实现快速、宽范围且可逆的调谐，适用于实际光子学应用？

主要发现

• 由于折射率与增益的相变调制，该微激光器在近红外波段实现了超过15 nm的光谱可调谐性。
• 实现了1.35 nm/K的快速光谱调谐速率，支持快速波长调制。
• 系统在相变过程中表现出在偏振涡旋之间的确定性空间模式跃迁。
• 观察到具有滞后特性的光学双稳态，表明激光态具有类似记忆的行为。
• 该器件作为亚波长厚度的超表面，具有连续态束缚态（BICs），增强了光场限制与激光效率。
• 单一钙钛矿超表面同时具备增益与谐振腔功能，实现了紧凑、低成本且可调谐的激光输出。