Optical Gain Spectrum and Confinement Factor of a Monolayer Semiconductor in an Ultrahigh-Quality Cavity

半导体 激光阈值 材料科学 单层 光电子学 吸收(声学) Q系数 光学 物理 纳米技术 谐振器 波长
作者
Tianhua Ren,Junyong Wang,Kaizhen Han,Yuye Kang,Akash Kumar,Gong Zhang,Zhe Wang,Rupert F. Oulton,Goki Eda,Xiao Gong
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:23 (24): 11601-11607
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03357
摘要

Two-dimensional (2D) semiconductors have attracted great attention as a novel class of gain materials for low-threshold, on-chip coherent light sources. Despite several experimental reports on lasing, the underlying gain mechanism of 2D materials remains elusive due to a lack of key information, including modal gain and the confinement factor. Here, we demonstrate a novel approach to directly determine the absorption coefficient of monolayer WS2 by characterizing the whispering gallery modes in a van der Waals microdisk cavity. By exploiting the cavity’s high intrinsic quality factor of 2.5 × 104, the absorption coefficient spectrum and confinement factor are experimentally resolved with unprecedented accuracy. The excitonic gain reduces the WS2 absorption coefficient by 2 × 104 cm–1 at room temperature, and the experimental confinement factor is found to agree with the theoretical prediction. These results are essential for unveiling the gain mechanism in emergent, low-threshold 2D-semiconductor-based laser devices.
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