近日，南京航空航天大學(xué)物理學(xué)院“光電功能材料、器件與物理”科研團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的“超吸收”概念，實(shí)現(xiàn)了電泵浦單模激光二極管。大尺寸的金屬Pt納米顆粒作為一種超吸收材料，可以在光脈沖激發(fā)和電激發(fā)下調(diào)控單根氧化鋅微米線的激光輸出模式、實(shí)現(xiàn)單模激光輸出，為開發(fā)一維線型微/納米結(jié)構(gòu)超低閾值單模激光器的提供了可能的技術(shù)路線。該成果以“Electrically driven single microwire-based single-mode microlaser” 為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Light: Science &Applications》上。

圖1 光脈沖激發(fā)單根PtNPs@ZnO:Ga微米線單模激光的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

 

研究人員采用簡(jiǎn)單的碳熱還原反應(yīng)法制備了高結(jié)晶質(zhì)量的六邊形Ga摻雜ZnO（ZnO:Ga）微米線。所制備的單根ZnO:Ga微米線作為激光增益介質(zhì)和高品質(zhì)光學(xué)諧振腔，可以用于實(shí)現(xiàn)回音壁模（WGM）紫外受激輻射。同時(shí)，Ga元素的摻入能夠有效的增強(qiáng)單根微米線的電學(xué)輸運(yùn)特性，特別是其可媲美于微納尺度的金屬絲的導(dǎo)電能力。然而，微米尺度的微腔因其尺寸遠(yuǎn)大于紫外激光波長(zhǎng)，一般都缺少有效地選取單模的機(jī)制，導(dǎo)致群速度色散較大，脈沖展寬，難以實(shí)現(xiàn)單模輸出。為實(shí)現(xiàn)單根ZnO:Ga微米線微腔的激光模式調(diào)控及單模激光輸出，研究人員巧妙地利用大尺寸Pt納米顆粒（PtNPs）作為超吸收材料依附在單根ZnO:Ga微米線的表面，獲得了高品質(zhì)因子和低閾值的單模激光，如圖1所示。此外，研究人員還系統(tǒng)地研究了PtNPs修飾ZnO:Ga 微米線中激光增益與吸收損耗之間的相互作用。通過調(diào)控PtNPs的尺寸大小，得到了最佳性能的單模激光及其產(chǎn)生的條件。更為重要的是，PtNPs的引入并沒有破壞激光諧振腔的光增益獲取；同時(shí)，隨著PtNPs尺寸的增加，微米線諧振腔激光的產(chǎn)生可以由多模向單模轉(zhuǎn)換，較為靈活地實(shí)現(xiàn)了單模激光的模式調(diào)控。

 

 

圖2 電激發(fā)單根PtNPs@ZnO:Ga微米線基異質(zhì)結(jié)二極管單模激光器的結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

 

研究人員針對(duì)n-ZnO:Ga MW/p-GaN異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件結(jié)構(gòu)中載流子注入效率低和界面處光損耗的嚴(yán)重問題，引入了Pt/MgO金屬納米薄膜和介質(zhì)緩沖層，設(shè)計(jì)并制備了n-ZnO:Ga MW/Pt/MgO/p-GaN異質(zhì)結(jié)器件。該器件在正向驅(qū)動(dòng)偏壓下可實(shí)現(xiàn)無自發(fā)輻射背景的電驅(qū)動(dòng)紫外多模式受激輻射。低反射指數(shù)介質(zhì)層MgO的引入可以適當(dāng)調(diào)制n-ZnO:Ga/p-GaN異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)，降低電子泄漏，操縱載流子在微米線中的傳輸路徑和降低異質(zhì)結(jié)界面的光損耗，從而實(shí)現(xiàn)以ZnO:Ga近帶邊發(fā)光為主導(dǎo)的純紫外發(fā)光。而Pt納米薄膜的引入可以進(jìn)一步優(yōu)化異質(zhì)結(jié)界面質(zhì)量，使單根ZnO:Ga微米線與p-GaN之間的電接觸更加容易和可靠。兩者的結(jié)合可以有效地提高有源區(qū)載流子注入效率和光增益的獲取，將結(jié)區(qū)耗盡層載流子的復(fù)合、激光介質(zhì)和光學(xué)微諧振腔融合到一起，產(chǎn)生紫外受激輻射。為了獲得電驅(qū)動(dòng)的單模激光器，研究人員進(jìn)一步改善器件結(jié)構(gòu)，將大尺寸PtNPs（d ~ 130 nm）修飾的單根ZnO:Ga 微米線作為有源層引入到n-PtNPs@ZnO:Ga MW/Pt/MgO/p-GaN異質(zhì)結(jié)激光二極管中，獲得了具有單頻發(fā)射的紫外激光二極管。如圖2所示，在正向驅(qū)動(dòng)偏壓下，該器件的激光閾值電流、FWHM和品質(zhì)因子Q分別為11.12 mA、0.18 nm和2169。實(shí)驗(yàn)和理論的研究結(jié)果表明大尺寸的金屬PtNPs作為超吸收材料，可以在不破壞微米線光學(xué)諧振腔的條件下操縱激光諧振腔的振蕩模式，實(shí)現(xiàn)激光由多模向單模的轉(zhuǎn)變，見圖3。此外，研究人員還測(cè)試了具有高重復(fù)性和可控性的單模激光器的實(shí)現(xiàn)情況，即沉積合適尺寸的PtNPs可以調(diào)制光在單根ZnO:Ga 微米線中的傳輸路徑，實(shí)現(xiàn)激光的模式鎖定。該研究結(jié)果為開發(fā)基于一維半導(dǎo)體微/納米線的單模微激光器設(shè)計(jì)和構(gòu)建提供了一個(gè)直接有效地方案。

圖3  電激發(fā)單根PtNPs@ZnO:Ga微米線基異質(zhì)結(jié)二極管單模激光的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和機(jī)理分析

 

該研究基于大尺寸Pt納米顆粒所提出的超吸收概念，能夠?yàn)閷拵栋雽?dǎo)體低維結(jié)構(gòu)微腔激光輸出模式調(diào)控、實(shí)現(xiàn)單模輸出提供了一種新穎的實(shí)驗(yàn)方案。該超吸收概念相較于目前廣泛應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)方案，更簡(jiǎn)單、易操作，特別是對(duì)微腔的損耗與增益之間進(jìn)行有效的調(diào)控。該器件結(jié)構(gòu)能有效地將結(jié)區(qū)耗盡層、激光增益介質(zhì)和光學(xué)諧振腔完美的集成在單根微米線結(jié)構(gòu)中，結(jié)合大尺寸Pt納米顆粒對(duì)微腔模式的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)高性能的電驅(qū)動(dòng)單模激光二極管。該文章為寬帶隙半導(dǎo)體微腔單模激光器件的設(shè)計(jì)與構(gòu)筑提供一種全新的實(shí)驗(yàn)方案與器件結(jié)構(gòu)，特別是為基于常用一維微/納米結(jié)構(gòu)超低閾值激光器的開發(fā)提供了新的思路。

 

研究成果以 Electrically driven single microwire-based single-mode microlaser 為題發(fā)表在Light: Science & Applications期刊上。南京航空航天大學(xué)物理學(xué)院周祥博博士生為第一作者，姜明明研究員、施大寧教授和闞彩俠教授為共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（11974182，11874220）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（NC2022008）等項(xiàng)目的支持。

 

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41377-022-00874-w

 

 (來源：南京航空航天大學(xué))