Nature Photonics |?超薄WS?微盘中的室温下连续波间接带隙激光

论文导读

      可以集成在光子芯片上的小型半导体激光器对光学计算、通信和传感等光学应用至关重要。目前大多数的激光应用往往只使用直接带隙材料进行开发，因为人们普遍认为间接带隙材料的受激幅射光放大效应效率极低。近日，来自高丽大学、庆熙大学、国立蔚山科学技术院的研究人员报告了在超薄WS₂微盘中实现激光发射，并证明了50纳米厚的WS₂微盘可以提供高效的光学增益和回音壁模式，足以实现室温下连续波激光的激射，该工作“Room-temperature continuous-wave indirect-bandgap transition lasing in an ultra-thin WS₂ disk”发表在Nature子刊Nature Photonics上，为间接带隙材料应用于制作高效的片上激光器提供了新的思路。

研究背景

      微纳激光器是片上光子应用（包括全片上光通信、光计算和光传感）的重要构成模块。硅基或锗基光子器件因其与硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）技术相兼容而受到广泛关注。尽管近几十年来科研人员进行了许多深入的研究，但Si和Ge材料本身的间接带隙限制了它们作为光源的使用，因为间接带隙中的电子和空穴的复合需要声子参与，效率不高。具有直接带隙的III-V组材料逐渐成为了人们首选的替代方案，但III-V组材料与硅衬底的集成又成了新的难题。最近，作为二维层状半导体的过渡金属硫族化物（TMD）受到高度关注，基于TMD材料的激光器是通过将单层TMD与外部腔体结构集成后得到的，由于其出色的发光特性和易于集成的优点，TMD激光为发光器件的发展提供了全新的渠道。

技术突破

      在这篇文章中，研究人员报告了在没有外部光腔结构存在的情况下，利用集成了WS₂多层超薄层的微盘中间接带隙转移效应来实现激光发射的技术，并将激光器体积控制到与迄今为止报道的最小的半导体纳米激光器大小相当。由于WS₂材料的高折射率（n≈4），一个超薄的WS₂微盘（厚度约为50纳米）可以在其间接带隙的波长处（约880纳米）激发回音壁模式（WGMs）。由于WS₂微盘同时提供了WGMs和光学增益，腔体的约束因子（增益体积与腔模式体积之比）高达约0.89，激光发射阈值大大降低。此外，多层WS₂提供了一个高效的三能级粒子数反转系统，通过激子转变进行有效的载流子泵浦，令载流子快速地弛豫到间接带隙，使衰减时间变得缓慢，因此可以在超薄WS₂微盘中观察到室温下连续波间接带隙激光。

      在传统的具有单层TMD的激光装置中，由于大多数TMD材料的增益是在可见光波长，腔体材料的选择和所制造的微腔结构的品质因子都受到严重限制。而使用具有高折射率的多层TMD作为无源纳米光子结构可以在超薄的厚度极限内（几十纳米）产生WGMs，器件的示意图如1a所示。图1d中WGM的横截面电场剖面显示了50纳米厚的WS₂薄片中紧密束缚的光线。图1e显示了不同WGM模式数的电场轮廓。图1f,g显示了仿真得到的随着微盘直径和厚度的变化而变化的WGM光谱。当材料损失被忽略时，由于WGM的辐射损失导致的品质因子可超过400。

观点评述

      本文利用多层过渡金属硫族化物WS₂制作的微盘实现了室温下连续波间接带隙激光，并将体积控制到与迄今为止报道的最小的半导体纳米激光器大小相当，该工作所提出的激光器还具有范德华材料的优点，便于其通过薄膜转移方法与其他系统集成。该工作不仅有利于拓展对多层TMD的应用，而且还能推动其它间接带隙材料的研究，以进一步探索更多新奇的光电应用。

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