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最新Nature:基于二维异质结的空间相干层间激子激光器

最新Nature:基于二维异质结的空间相干层间激子激光器

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研究背景

最新Nature:基于二维异质结的空间相干层间激子激光器

半导体激光器在当今的技术中无处不在,它们结构紧凑,波长覆盖范围广,并且可以实现高效的电泵浦和快速的电调制。当前主流半导体激光器主要基于传统的III-V量子阱,为了实现更低的功耗,更紧凑的结构以及与硅更高的集成度,可代替的增益材料和结构被逐渐开发出来,然而可调性、电泵浦和异构集成仍然是挑战。

近来,单层过渡金属硫族化合物(TMDC)原子级的厚度可以与不同衬底集成并且具有强激子发射,已成为半导体激光器中的新热点。在先前的研究中单层TMDC激光的非线性强度和线宽与泵浦功率相关,使得光子通量会低于受激发射阈值,同时仅以单层作为增益介质,可调谐性也受到限制,而异质结构中的空间间接激子具有可电调谐的静态偶极子并具有长程偶极相互作用,有望产生丰富的多体量子现象,为实现能带结构和激子态调控打开了新大门,在半导体激光器中有望开辟新的研究领域。

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成果介绍

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有鉴于此,近日美国密歇根大学安娜堡分校物理系的邓慧教授报道了基于二维异质结的空间相干层间激子激光器,在SiN光栅谐振腔上构筑WSe2/MoSe2双层异质结,产生层间激子激光,在整个发射阈值上可以观察到激光空间相干性增加。二维异质结构中的层间激子具有电可调谐的激子-光子相互作用和长程偶极相互作用,可以作为具有空间相干激光发射和异质集成潜力的增益介质,有望应用于低功率的超快激光器和调制器,论文以“Interlayer exciton laser of extended spatial coherence in atomically thin heterostructures”为题发表在顶刊Nature上。

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图文导读

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图1. WSe2/MoSe2双层异质结/光栅-腔激光系统的示意图。(a)激光器的示意图,由光栅腔上的双层异质结组成。(b)扭转角θ=0°时,双层异质结的旋转排列示意图(上图)以及在K能谷处存在直接带隙(下图)。(c)异质结的能带排列和载流子动力学,具有II型能带排列,形成了载流子的三能级系统。

如图1a所示,激光系统包括一个旋转对准的WSe2-MoSe2双层异质结,放置在SiN光栅谐振器上。为了形成层间激子,将单层WSe2和单层MoSe2的晶轴精确堆垛在相对旋转1°以内,因此两个单层K能谷处的带极值可以在动量空间中对齐,形成直接带隙(图1b)。通过II型能带对准,层内激子共振可以将载流子有效地注入到双层异质结中,然后在10-100 fs的时间尺度上将电子快速转移到MoSe2的空导带内,在较小的层间带隙处实现能带反转(图1c)。

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图2. 双层异质结和光栅腔的性质。(a)集成在光栅腔上的WSe2/MoSe2双层异质结的光学显微镜图像。(b)双层异质结的PL光谱,泵浦激光波长为633 nm,功率为20 μW。(c)模拟和实测的反射光谱。插图:在kx≈1.7 μm-1附近的归一化反射光谱。(d)在kx≈0附近的PL光谱。

集成在SiN光栅腔上的WSe2/MoSe2双层异质结的光学显微镜图像如图2a所示。双层异质结的光致发光(PL)光谱表明,层间激子发射比层内发射强得多(图2b),这证实了异质结中存在有效的电荷转移和层间激子数量积累。为了在TE模式下获得高Q因子,调整光栅周期Λ,厚度h和填充因子g,将其与零面内波数k=0时的激子共振进行匹配。通过角分辨反射光谱测量空腔色散来确定TE腔模,结果与用严格耦合波分析(RCWA)进行的仿真非常吻合(图2c)。在仿真中,TE模式的Q因子约为2000,但是由于制造缺陷的存在,实际腔的Q值可能较低。根据空腔的反射光谱,估算Q因子在500和680之间(图2c插图),但是由于对比度低和白光噪声小,因此很难确定确切的值,器件的PL光谱线宽对应的Q因子约630(图2d)。

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图3. 层间激子激光器的光谱特性。(a)沿TE方向,在P=0.6 μW时角分辨显微PL光谱。(b)TE发射的光子占有率(红色)和线宽(蓝色)与泵浦功率的关系。(c)沿TM方向,在P=0.6 μW时角分辨显微PL光谱。(d)TM发射的光子占有率(红色)和线宽(蓝色)与泵浦功率的关系。

双层异质结通过层内激子共振产生有效的光泵浦,远高于层间激子或空腔的共振。在TE模式下,当泵浦激光在1.7 eV时,随着泵浦功率的增加,来自腔模的PL在k≈0且E≈1.35 eV时迅速增强(图3a)。当光子占有率Ipk≈0)接近1时,Ip表现出随泵浦功率的超线性增加,这与受激发射开始进入腔模一致,同时线宽急剧下降,表明时间相干性增加(图3b)。与TE发射形成鲜明对比,TM偏振发射不与腔模耦合,并且不显示阈值行为,仅在高泵浦功率下才存在激光输出(图3c)。随着泵浦功率的增加,总的集成发射强度随泵浦功率而线性增加,线宽也更大(图3d),比TE强度弱几倍。

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图4. 层间激子激光的一阶相干性。(a)上面是迈克尔逊干涉仪装置的示意图,下图是中心对称干扰图像。(b)高于Pth(20 μW)时的典型干涉图样。(c)在4π的相位扫描时,作为后向反射器的单个像素的强度图。(d和e)激光功率接近Pth(0.3 μW)和高于Pth(10 μW)时的一阶空间相干性g(1)(r,-r)的成像图。(f)相干长度λc与泵浦功率的关系。

由于光栅谐振器具有大空间面积以及阈值以上的大光子通量,因此可以研究层间激子发射的空间相干性,利用连续波激发激光器和后向反射迈克尔逊干涉仪进行一阶空间相干性测量(图4a)。由于两束光束之间的角度差很小,因此形成干涉条纹(图4b)。改变干涉仪的路径长度,对应的Iint(r)都会发生振荡,并且振荡的对比度与一阶空间相干性g(1)(r,-r)成正比(图4c)。当激光功率接近阈值时,存在明显噪声,没有清晰的g(1)(r,-r)与r的关系图(图4d)。而高于阈值时,出现清晰的图案,随r增加g(1)(r,-r)衰减,大小约为激光光斑尺寸的两倍(图4e)。相干长度λc在阈值附近突然增加,表明激光形成空间相干,而高于阈值时,λc值受激光光斑大小和载流子扩散长度的限制而基本保持不变(图4f)。

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总结与展望

最新Nature:基于二维异质结的空间相干层间激子激光器

本文利用II型能带对准排列,在SiN光栅谐振腔上构筑了WSe2/MoSe2双层异质结,在MoSe2导带和WSe2价带之间形成能带反转,导致电荷分离和更长的激子寿命,产生层间激子激光,并观察到了激光空间相干性增加。通过不同材料组合有望得到不同波长的层间激子激光,并实现可控电调制,将成为半导体激光器的研究新方向。

文献信息

Interlayer exciton laser of extended spatial coherence in atomically thin heterostructures(Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1779-x

文献链接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1779-x


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