L'université de Pékin a réalisé une pérovskite continuesource laserplus petit que 1 micron carré
Il est important de concevoir une source laser continue dont la surface est inférieure à 1 µm² afin de répondre aux exigences de faible consommation énergétique des interconnexions optiques sur puce (< 10 fJ bit⁻¹). Cependant, la miniaturisation des dispositifs entraîne une augmentation significative des pertes optiques et matérielles, rendant ainsi la réalisation de dispositifs submicroniques et d'un pompage optique continu des sources laser extrêmement complexe. Ces dernières années, les pérovskites halogénées ont suscité un vif intérêt dans le domaine des lasers à pompage optique continu, grâce à leur gain optique élevé et à leurs propriétés uniques d'exciton-polariton. À ce jour, la surface des sources laser continues à base de pérovskite reste supérieure à 10 µm², et toutes les sources laser submicroniques nécessitent une lumière pulsée à densité d'énergie de pompage plus élevée pour leur excitation.
Pour relever ce défi, l'équipe de recherche de Zhang Qing, de l'École des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'Université de Pékin, a réussi à élaborer des monocristaux de pérovskite submicroniques de haute qualité afin de réaliser des sources laser à pompage optique continu avec une surface de dispositif aussi réduite que 0,65 µm². Parallèlement, le mécanisme de l'exciton-polariton dans le processus d'émission laser à pompage optique continu submicronique a été mis en évidence. Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de lasers semi-conducteurs à seuil bas et de petite taille. Les résultats de cette étude, intitulée « Lasers à pérovskite à pompage continu avec une surface de dispositif inférieure à 1 µm² », ont été récemment publiés dans la revue Advanced Materials.
Dans ce travail, une feuille monocristalline micrométrique de pérovskite inorganique CsPbBr₃ a été préparée sur un substrat de saphir par dépôt chimique en phase vapeur. Il a été observé que le fort couplage des excitons de la pérovskite avec les photons de la microcavité acoustique à température ambiante induisait la formation de polaritons excitoniques. Grâce à une série de preuves, telles que la transition d'intensité d'émission linéaire à non linéaire, la faible largeur de raie, la transformation de la polarisation d'émission et la transformation de la cohérence spatiale au seuil, le fonctionnement continu d'un laser à fluorescence pompé optiquement dans un monocristal de CsPbBr₃ de taille submicrométrique a été confirmé. La surface du dispositif est de seulement 0,65 µm². Par ailleurs, il a été constaté que le seuil de cette source laser submicrométrique est comparable à celui d'une source laser de grande taille, voire inférieur (Figure 1).
Figure 1. CsPbBr3 submicronique pompé optiquement en continusource de lumière laser
De plus, ce travail explore, par des approches expérimentales et théoriques, le mécanisme des excitons polarisés dans la réalisation de sources laser continues submicroniques. Le couplage photon-exciton renforcé dans les pérovskites submicroniques induit une augmentation significative de l'indice de réfraction de groupe, atteignant environ 80, ce qui accroît considérablement le gain du mode et compense ainsi les pertes. Il en résulte également une source laser pérovskite submicronique présentant un facteur de qualité de microcavité effectif plus élevé et une largeur de raie d'émission plus étroite (Figure 2). Ce mécanisme offre par ailleurs de nouvelles perspectives pour le développement de lasers de petite taille et à faible seuil, basés sur d'autres matériaux semi-conducteurs.
Figure 2. Mécanisme d'une source laser submicronique utilisant des polariseurs excitoniques
Song Jiepeng, étudiante de la promotion 2020 du programme Zhibo et membre de l'École des sciences et du génie des matériaux de l'Université de Pékin, est la première auteure de l'article, qui est par ailleurs signé par l'Université de Pékin. Zhang Qing et Xiong Qihua, professeur de physique à l'Université Tsinghua, sont les auteurs correspondants. Ces travaux ont bénéficié du soutien de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et de la Fondation scientifique de Pékin pour les jeunes chercheurs exceptionnels.
Date de publication : 12 septembre 2023