Ingeniører bøjer lys for at forbedre bølgelængdekonvertering

Elektriske ingeniører fra UCLA Samueli School of Engineering har udviklet en mere effektiv måde at konvertere lys fra en bølgelængde til en anden, åbner døren for forbedringer i ydeevnen af ​​billedbehandling, sansnings- og kommunikationssystemer.

Mona Jarrahi, professor i elektro- og computerteknik ved UCLA Samueli, førte Naturkommunikation -publiceret forskning.

At finde en effektiv måde at konvertere lysets bølgelængder på er afgørende for forbedringen af ​​mange billeddannelses- og sanseteknologier. For eksempel, konvertering af indkommende lys til terahertz-bølgelængder muliggør billeddannelse og sansning i optisk uigennemsigtige omgivelser. Imidlertid, tidligere konverteringsrammer var ineffektive og krævede omfangsrige og komplekse optiske opsætninger.

Det UCLA-ledede team har udtænkt en løsning til at forbedre effektiviteten af ​​bølgelængdekonvertering ved at udforske et generelt uønsket, men naturligt fænomen kaldet halvlederoverfladetilstande.

Overfladetilstande opstår, når overfladeatomer har et utilstrækkeligt antal andre atomer til at binde sig til, forårsager nedbrydning i atomstruktur. Disse ufuldstændige kemiske bindinger, også kendt som "dinglende obligationer, " forårsager vejspærringer for elektriske ladninger, der strømmer gennem halvlederenheder og påvirker deres ydeevne.

"Der har været mange bestræbelser på at undertrykke virkningen af ​​overfladetilstande i halvlederenheder uden at indse, at de har unikke elektrokemiske egenskaber, der kunne muliggøre hidtil usete enhedsfunktioner, "sagde Jarrahi, der leder UCLA Terahertz Electronics Laboratory.

Faktisk, da disse ufuldstændige bindinger skaber et lavt, men gigantisk indbygget elektrisk felt på tværs af halvlederoverfladen, forskerne besluttede at drage fordel af overfladetilstande til forbedret bølgelængdekonvertering.

Indkommende lys kan ramme elektronerne i halvledergitteret og flytte dem til en højere energitilstand, på hvilket tidspunkt de frit kan hoppe rundt inden for gitteret. Det elektriske felt, der skabes på tværs af overfladen af ​​halvlederen, accelererer yderligere disse foto-exciterede, elektroner med høj energi, som derefter aflæser den ekstra energi, de opnåede ved at udstråle den ved forskellige optiske bølgelængder, dermed konvertere bølgelængderne.

Imidlertid, denne energiudveksling kan kun ske ved overfladen af ​​en halvleder og skal være mere effektiv. For at løse dette problem, teamet indarbejdede et nanoantenna -array, der bøjer indgående lys, så det er tæt indesluttet omkring den lave overflade af halvlederen.

"Gennem denne nye ramme, bølgelængdekonvertering sker let og uden nogen ekstra tilføjet energikilde, når det indkommende lys krydser feltet, " sagde Deniz Turan, undersøgelsens hovedforfatter og medlem af Jarrahis forskningslaboratorium, der for nylig tog eksamen med sin doktorgrad i elektroteknik fra UCLA Samueli.

Forskerne konverterede med succes og effektivt en 1, 550 nanometer bølgelængde lysstråle ind i terahertz-delen af ​​spektret, fra bølgelængder på 100 mikrometer op til 1 millimeter. Holdet demonstrerede effektiviteten af ​​bølgelængdekonvertering ved at inkorporere den nye teknologi i en endoskopi-probe, der kunne bruges til detaljeret in-vivo-billeddannelse og spektroskopi ved hjælp af terahertz-bølger.

Uden dette gennembrud i bølgelængdekonvertering, det ville have krævet 100 gange det optiske effektniveau for at opnå de samme terahertz -bølger, som de tynde optiske fibre, der anvendes i endoskopisonden, ikke kan understøtte. Forskuddet kan gælde for optisk bølgelængdekonvertering i andre dele af det elektromagnetiske spektrum, lige fra mikrobølger til langt infrarøde bølgelængder.