[论文解读] Ultra-Low Threshold Monolayer Semiconductor Nanocavity Lasers

Sanfeng Wu, Sonia Buckley+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2015

Photonic Crystals and Applications参考文献 24被引用 4

一句话总结

本论文提出了一种基于单层二硒化钨（WSe2）半导体的连续波、超低阈值纳米激光器，该半导体集成于预先制备的光子晶体腔（PhCC）中。通过将原子级薄的增益介质直接置于腔表面，该系统在130 K时实现了仅27 nW的激光阈值，得益于强激子局域化和Purcell增强效应，实现了可扩展、电泵浦及与芯片兼容的纳米激光器。

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.

研究动机与目标

• 开发一种低阈值、紧凑且可集成的纳米激光器，用于片上光通信。
• 克服基于量子点的纳米激光器的局限性，如随机定位、组分波动以及电注入困难等问题。
• 实现二维半导体作为增益介质在预先制备的光子腔中的确定性、非破坏性集成。
• 在可见光波段实现连续波工作，具备高效率和低功耗。
• 构建一个与电子电路兼容且可扩展的平台，支持多功能化，以实现未来光电集成。

提出的方法

• 使用预先制备的光子晶体腔（PhCC）作为光学谐振器，以实现高品质因子和小模场体积的光限制。
• 通过非破坏性且确定性的方式将原子级薄的二硒化钨（WSe2）单层转移至PhCC表面，作为增益介质。
• 单层材料中的直接带隙激子被限制在距腔表面1 nm以内，从而最大化光与物质的相互作用及Purcell增强效应。
• 采用光学泵浦实现激光，阈值功率在130 K下测量，以最小化非辐射复合。
• 表面增益结构为未来电泵浦和功能化集成光子电路提供了可能。
• 该系统利用Purcell区内的腔量子电动力学效应，增强自发辐射并降低激光阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将单层半导体集成于预先制备的光子晶体腔中，以实现超低阈值激光？
• RQ2 二维过渡金属二硫属化合物在表面集成后，对激光阈值和光学品质因数有何影响？
• RQ3 能否使用二维半导体增益介质在可见光波段实现连续波激光，且光学泵浦功率极低？
• RQ4 在距腔表面1 nm以内实现激子局域化，对Purcell增强和激光效率有何影响？
• RQ5 表面增益结构是否与电注入及片上集成兼容，适用于实际光子应用？

主要发现

• 在130 K时，实现了仅27 nW光学泵浦阈值的连续波纳米激光器，性能与基于量子点的PhCC激光器相当。
• 单层WSe2增益介质被限制在距PhCC表面1 nm以内，实现了强光与物质耦合及增强的Purcell效应。
• 二维半导体的确定性、非破坏性集成实现了精确控制与可重复性，克服了量子点系统中随机定位的问题。
• 表面增益结构为电注入和功能化提供了前所未有的接入途径，支持未来电泵浦运行。
• 该平台具备可扩展性，与现有集成光子学和电子电路技术兼容。
• 该系统证明了在腔增强结构中利用二维材料实现超低阈值激光的可行性，为片上光互连开辟了新路径。