베이징 대학은 1제곱 마이크론보다 작은 페로브스카이트 연속 레이저 광원을 구현했습니다.

베이징 대학은 페로브스카이트 연속체를 구현했습니다.레이저 소스1제곱 마이크론보다 작음
온칩 광 상호 연결의 저에너지 소비 요구 사항(<10 fJ/bit⁻¹)을 충족하기 위해서는 1μm² 미만의 소자 면적을 갖는 연속 레이저 소스를 구현하는 것이 중요합니다. 그러나 소자 크기가 작아질수록 광학적 손실과 재료 손실이 크게 증가하기 때문에, 서브마이크론 소자 크기를 달성하고 레이저 소스를 연속적으로 광 펌핑하는 것은 매우 어려운 과제입니다. 최근 할라이드 페로브스카이트 소재는 높은 광 이득과 고유한 엑시톤 폴라리톤 특성으로 인해 연속 광 펌핑 레이저 분야에서 큰 주목을 받고 있습니다. 그러나 지금까지 보고된 페로브스카이트 연속 레이저 소스의 소자 면적은 여전히 ​​10μm² 이상이며, 서브마이크론 레이저 소스를 구현하기 위해서는 모두 더 높은 펌프 에너지 밀도를 갖는 펄스 광이 필요합니다.

이러한 난제에 대응하여 베이징대학교 재료과학공학과 장칭(Zhang Qing) 연구팀은 고품질 페로브스카이트 서브마이크론 단결정 소재를 성공적으로 제작하여 0.65μm²의 극히 작은 소자 면적을 갖는 연속 광 펌핑 레이저 소스를 구현했습니다. 또한, 서브마이크론 연속 광 펌핑 레이저 발진 과정에서 엑시톤-폴라리톤 메커니즘을 규명하고, 소형 저임계 반도체 레이저 개발에 새로운 아이디어를 제시했습니다. "소자 면적 1μm² 미만의 연속파 펌핑 페로브스카이트 레이저"라는 제목의 이번 연구 결과는 최근 학술지 Advanced Materials에 게재되었습니다.

본 연구에서는 화학 기상 증착법을 이용하여 사파이어 기판 위에 무기 페로브스카이트 CsPbBr3 단결정 마이크론 시트를 제작하였다. 상온에서 페로브스카이트 엑시톤과 음향벽 마이크로 공동의 광자 간의 강한 결합으로 인해 엑시톤 폴라리톤이 형성되는 것을 관찰하였다. 선형에서 비선형으로의 발광 강도 변화, 좁은 선폭, 발광 편광 변환, 문턱값에서의 공간적 결맞음 변환 등 일련의 증거들을 통해 서브마이크론 크기의 CsPbBr3 단결정에서 연속적인 광 펌핑 형광 레이저가 구현되었음을 확인하였으며, 소자 면적은 0.65μm²로 매우 작다. 또한, 서브마이크론 레이저 광원의 문턱값이 대형 레이저 광원의 문턱값과 유사하거나 더 낮을 수 있음을 확인하였다(그림 1).

그림 1. 연속 광학 펌핑 서브마이크론 CsPbBr3레이저 광원

본 연구는 실험적 및 이론적으로 엑시톤 편광 현상을 이용하여 서브마이크론 연속 레이저 소스를 구현하는 메커니즘을 규명합니다. 서브마이크론 페로브스카이트에서 향상된 광자-엑시톤 결합은 군 굴절률을 약 80까지 크게 증가시켜 모드 이득을 크게 향상시키고 모드 손실을 보상합니다. 그 결과, 페로브스카이트 서브마이크론 레이저 소스는 더 높은 유효 마이크로캐비티 품질 계수와 더 좁은 발광선폭을 나타냅니다(그림 2). 이러한 메커니즘은 다른 반도체 재료를 기반으로 하는 소형 저임계 레이저 개발에도 새로운 통찰력을 제공합니다.

그림 2. 엑시톤 편광자를 이용한 서브마이크론 레이저 소스의 메커니즘

본 논문의 제1저자는 베이징대학교 재료과학공학과 2020년 즈보(Zhibo) 졸업생 송제펑(Song Jiepeng)이며, 베이징대학교가 본 논문의 주관기관입니다. 장칭(Zhang Qing)과 칭화대학교 물리학과 슝치화(Xiong Qihua) 교수가 교신저자로 참여했습니다. 본 연구는 중국 국가자연과학기금과 베이징시 우수청년과학자지원사업의 지원을 받았습니다.