Heterostruktur og Q-faktor engineering til lavtærskel og vedvarende nanotrådlasing

Halvleder nanotrådlasere er en afgørende komponent til integreret optoelektronik på chip. Imidlertid, silicium integreret, stuetemperatur, kontinuerligt fungerende og elektrisk pumpede nanotrådslasere er endnu ikke blevet demonstreret. I dette arbejde, en metode til at opnå lavtærskel kvasi-fire-niveau lasering ved brug af indirekte-til-direkte båndspredning er vist. Dette er aktiveret ved brug af et hulrum med høj Q, og - ved hjælp af en tidsstyret interferometriteknik - måles endefacettens reflektivitet direkte for første gang.

I løbet af det seneste årti, ideen om fotonisk databehandling – hvor elektroner erstattes med lys i mikroelektroniske kredsløb – er opstået som en fremtidig teknologi. Dette lover lave omkostninger, ultra-højhastigheds- og potentielt kvanteforbedret databehandling, med specifikke applikationer inden for højeffektiv maskinlæring og neuromorfisk databehandling. Mens computerelementerne og detektorerne er blevet udviklet, behovet for nanoskala, lyskilder med høj tæthed og let integrerede lyskilder forbliver uopfyldte. Halvleder nanotråde ses som en potentiel kandidat, på grund af deres lille størrelse (i størrelsesordenen af ​​lysets bølgelængde), muligheden for direkte vækst på industristandard silicium, og deres brug af etablerede materialer. Imidlertid, til dato, sådanne nanotrådlasere på silicium har ikke vist sig at fungere kontinuerligt ved stuetemperatur.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og applikationer , forskere fra Photon Science Institute i Manchester, UK med kolleger ved University College London og University of Warwick demonstrerer en ny vej til at opnå lavtærskel silicium-integrerbare nanotrådlasere. Baseret på nye direkte-indirekte halvleder-heterostrukturer aktiveret af nanowire-platformen, de viser multi-nanosekunders lasering ved stuetemperatur. Et centralt designelement er behovet for højreflekterende nanotrådsender; dette er typisk et udfordrende krav, da gængse vækstmetoder ikke tillader simpel optimering for slutfacetter af høj kvalitet. Imidlertid, i dette studie, ved at bruge et nyt tidsstyret interferometer demonstrerer forskerne, at reflektiviteten kan være over 70 % - omkring det dobbelte af, hvad der forventes for en konventionel fladlaser på grund af lysets indeslutning.

Sammen, den nye materialestruktur og højkvalitets hulrum bidrager til en lav lasertærskel - et mål for den effekt, der kræves for at aktivere lasering i nanotrådene - på kun 6uJ/cm ² , størrelsesordener lavere end tidligere påvist. Ikke alene giver denne nye tilgang nanolasere af høj kvalitet, men MBE-væksten giver et højt udbytte af fungerende ledninger, med over 85 % af de testede nanotråde, der arbejder med fuld effekt uden termisk skade. Dette høje udbytte er afgørende for industriel integration af denne nye struktur.