重くドープされたPbSコロイダル量子ドットからの赤外電気通信帯域における単一励起子利得と刺激された発光

Single-Exciton Gain and Stimulated Emission across the Infrared Telecom Band from Robust Heavily-doped PbS Colloidal Quantum Dots.

• Sotirios Christodoulou
• Iñigo Ramiro
• Andreas Othonos
• Alberto Figueroba
• Mariona Dalmases
• Onur Ozdemir
• Santanu Pradhan
• Grigorios Itskos
• Gerasimos Konstantatos

抄録

赤外での光利得を有する材料は、光通信、医療診断、シリコンフォトニクスにとって最も重要である。現在の技術は、シリコンCMOS技術にモノリシックでない高価なIII-V半導体、または完全なファイバ透明窓を利用しないErドープファイバ技術のいずれかに基づいている。コロイダル量子ドット（ＣＱＤ）は、その調整可能なバンドギャップ、溶液加工性、およびＣＭＯＳとの互換性の観点から、光利得媒体としてのユニークな機会を提供する。Pb-カルコゲナイドをベースとした赤外CQDの8倍の縮退性は、室温での低スレッショルド光利得とレーシングの実証を妨げてきた。我々は、室温で14meVの線幅を持つ、サイズ調整可能なバンドエッジ刺激発光を実証した。PbS CQD薄膜における強固な電子ドーピングと電荷-励起子相互作用を利用して、100cm-1を超える正味のモード利得で、8倍の縮退系の理論限界から4倍に減少した単一励起子領域での利得閾値に到達した。

Materials with optical gain in the infrared are of paramount importance for optical communications, medical diagnostics and silicon photonics. The current technology is based either on costly III-V semiconductors that are not monolithic to silicon CMOS technology or Er-doped fiber technology that does not make use of the full fiber transparency window. Colloidal quantum dots (CQD) offer a unique opportunity as an optical gain medium in view of their tunable bandgap, solution processability and CMOS compatibility. The 8-fold degeneracy of infrared CQDs based on Pb-chalcogenides has hindered the demonstration of low-threshold optical gain and lasing, at room temperature. We demonstrate room-temperature, infrared, size-tunable, band-edge stimulated emission with linewidth of ~14 meV. Leveraging robust electronic doping and charge-exciton interactions in PbS CQD thin films, we reach gain threshold at the single exciton regime representing a four-fold reduction from the theoretical limit of an eight-fold degenerate system, with a net modal gain in excess of 100 cm-1.