베이징대학교, 페로브스카이트 연속 구현레이저 소스1제곱 마이크론보다 작음
온칩 광 상호연결(<10 fJ bit-1)의 저에너지 소비 요건을 충족하기 위해서는 소자 면적이 1μm2 미만인 연속 레이저 광원을 구성하는 것이 중요합니다. 그러나 소자 크기가 감소함에 따라 광학적 손실과 재료 손실이 크게 증가하므로, 서브마이크론 소자 크기와 레이저 광원의 연속적인 광 펌핑을 구현하는 것은 매우 어려운 과제입니다. 최근 할로겐화물 페로브스카이트 소재는 높은 광 이득과 독특한 엑시톤 폴라리톤 특성으로 인해 연속 광 펌핑 레이저 분야에서 많은 주목을 받고 있습니다. 현재까지 보고된 페로브스카이트 연속 레이저 광원의 소자 면적은 여전히 10μm2보다 크며, 서브마이크론 레이저 광원은 모두 더 높은 펌프 에너지 밀도를 가진 펄스 광을 필요로 합니다.
이러한 과제에 대응하여, 베이징대학교 재료과학공학과 장칭(Zhang Qing) 연구팀은 고품질 페로브스카이트 서브미크론 단결정 재료를 성공적으로 제조하여 소자 면적이 0.65μm²에 불과한 연속 광 펌핑 레이저 광원을 구현했습니다. 동시에 광자도 밝혀졌습니다. 서브미크론 연속 광 펌핑 레이저 공정에서 엑시톤 폴라리톤의 메커니즘이 깊이 이해되었으며, 이는 소형 저임계값 반도체 레이저 개발에 대한 새로운 아이디어를 제공합니다. "소자 면적이 1μm² 미만인 연속파 펌핑 페로브스카이트 레이저"라는 제목의 연구 결과는 최근 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)에 게재되었습니다.
본 연구에서는 화학 기상 증착법을 이용하여 사파이어 기판 위에 무기 페로브스카이트 CsPbBr3 단결정 미크론 시트를 제조하였다. 실온에서 페로브스카이트 엑시톤과 음벽 마이크로캐비티 광자의 강한 결합으로 엑시톤 폴라리톤이 형성되는 것을 관찰하였다. 선형에서 비선형으로의 방출 세기, 좁은 선폭, 방출 편광 변환, 그리고 임계값에서의 공간 간섭성 변환과 같은 일련의 증거들을 통해, 서브마이크론 크기의 CsPbBr3 단결정의 연속 광 펌핑 형광 레이저가 확인되었으며, 소자 면적은 0.65μm2로 매우 작다. 동시에, 서브마이크론 레이저 광원의 임계값은 대형 레이저 광원과 유사하며, 더 낮을 수도 있음을 확인하였다(그림 1).
그림 1. 연속 광학 펌핑 서브마이크론 CsPbBr3레이저 광원
또한, 본 연구는 서브미크론 연속 레이저 광원 구현에서 엑시톤-편광 엑시톤의 메커니즘을 실험적 및 이론적으로 탐구하고 밝힙니다. 서브미크론 페로브스카이트에서 향상된 광자-엑시톤 결합은 군 굴절률을 약 80으로 크게 증가시켜 모드 손실을 보상하기 위한 모드 이득을 크게 증가시킵니다. 또한, 이를 통해 더 높은 유효 마이크로캐비티 품질 계수와 더 좁은 방출 선폭을 갖는 페로브스카이트 서브미크론 레이저 광원을 개발할 수 있습니다(그림 2). 이 메커니즘은 다른 반도체 재료를 기반으로 하는 소형 저임계값 레이저 개발에 새로운 통찰력을 제공합니다.
그림 2. 엑시톤 폴라리즌을 이용한 서브마이크론 레이저 소스의 메커니즘
베이징대학교 재료과학 및 공학대학 2020년 지보(Zhibo) 학생인 송지펑(Song Jiepeng)이 본 논문의 제1저자이며, 베이징대학교는 본 논문의 제1연구실(Unit)입니다. 칭화대학교 물리학과 장칭(Zhang Qing) 교수와 슝치화(Xiong Qihua) 교수가 교신저자입니다. 본 연구는 중국 국가자연과학기금과 베이징 우수 청년 과학기금의 지원을 받았습니다.
게시 시간: 2023년 9월 12일