[论文解读] Single-Exciton Gain and Stimulated Emission Across the Infrared Optical Telecom Band from Robust Heavily-doped PbS Colloidal Quantum Dots

Sotirios Christodoulou, I. Ramiro+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2019

Quantum Dots Synthesis And Properties参考文献 38被引用 4

一句话总结

该论文展示了在室温下，利用坚固、高度掺杂的PbS胶体量子点，在整个红外光通信波段（1260–1625 nm）实现单激子水平的光学增益和受激辐射。通过实现每量子点仅一个激子的激光阈值——比八重简并系统的理论极限低四倍，该工作实现了低阈值、与CMOS兼容的红外增益介质，适用于硅光子学和光通信。

ABSTRACT

Materials with optical gain in the infrared are of paramount importance for optical communications, medical diagnostics1 and silicon photonics2,3 . The current technology is based either on costly III-V semiconductors that are not monolithic to silicon CMOS technology or Er-doped fiber technology that does not make use of the full fiber transparency window. Colloidal quantum dots (CQD) offer a unique opportunity as an optical gain medium4 in view of their tunable bandgap, solution processability and CMOS compatibility. Their potential for narrower linewidths5 and the lower-than-bulk degeneracy6 has led to dramatic progress towards successful demonstration of optical gain4, stimulated emission7 and lasing8,9,10 in the visible part of spectrum utilizing CdSe-based CQDs. Infrared Pb-chalcogenide colloidal quantum dots however exhibit higher state degeneracy and as a result the demonstration of optical gain has imposed very high thresholds.11,12 Here we demonstrate room-temperature, infrared stimulated emission, tunable across the optical communication band, based on robust electronically doped PbS CQDs, that reach gain threshold at the single exciton regime, representing a four-fold reduction from the theoretical limit of an eight-fold degenerate system and two orders of magnitude lower than prior reports.

研究动机与目标

• 开发一种与硅CMOS技术兼容的低阈值、可溶液加工的红外增益介质。
• 克服因高电子简并度导致的Pb族硫属化物胶体量子点中增益阈值过高的限制。
• 在室温下实现全光通信窗口（1260–1625 nm）范围内的受激辐射。
• 在单激子区域实现光学增益，显著低于以往实验的阈值。
• 利用胶体量子点实现实用、坚固且可调谐的红外光电器件。

提出的方法

• 通过受控电子掺杂合成高度掺杂的PbS胶体量子点，以增强载流子浓度并减少俄歇复合。
• 通过高结晶度和缺陷钝化工程设计量子点薄膜，以最小化非辐射复合。
• 采用时间分辨光致发光和放大的自发辐射（ASE）测量来表征增益和受激辐射。
• 通过调控量子点尺寸和表面配体工程，实现带隙在通信波段范围内的调节。
• 利用泵浦-探测光谱法识别光学增益的起始点并测量受激辐射的阈值。
• 在室温下验证性能，以确保其在真实光子系统中的实际适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 坚固、高度掺杂的PbS胶体量子点是否能在红外通信波段实现单激子水平的光学增益？
• RQ2 PbS CQDs实现受激辐射所需的最低激发阈值是多少？与理论极限相比如何？
• RQ3 可溶液加工、与CMOS兼容的胶体量子点是否能够支持全光通信窗口范围内、室温下的可调谐受激辐射？
• RQ4 电子掺杂和缺陷钝化如何影响PbS CQDs的增益阈值和光学性能？
• RQ5 Pb族硫属化物量子点的高简并度在多大程度上可被缓解，以实现低阈值激光？

主要发现

• 在PbS胶体量子点中实现了单激子区域的光学增益，相比八重简并度的理论极限降低了四倍。
• 在室温下实现了全红外光通信波段（1260–1625 nm）范围内的受激辐射。
• 增益阈值测量值约为每量子点一个激子，比以往PbS CQDs报道的低两个数量级。
• 该材料体系在长时间光学泵浦下表现出优异的性能稳定性，降解极小，表明其具有高稳定性。
• 放大的自发辐射（ASE）光谱表现出窄线宽，表明其在低阈值、高相干性红外光源方面具有潜力。
• 结果证实，可溶液加工、掺杂的PbS CQDs可作为III-V族半导体或掺铒光纤在红外光子学中的低成本、与CMOS兼容的替代方案。