Sub-bølgelængde indeslutning af lys demonstreret i indium phosphid nanokavitet

Efterhånden som vi går over til en ny æra inden for databehandling, er der behov for nye enheder, der integrerer elektroniske og fotoniske funktionaliteter på nanoskala, mens de forbedrer interaktionen mellem fotoner og elektroner. Som et vigtigt skridt i retning af at opfylde dette behov har forskere udviklet en ny III-V halvleder nanokavitet, der begrænser lys på niveauer under den såkaldte diffraktionsgrænse.

"Nanokaviteter med ultrasmå tilstandsvolumener har et stort løfte om at forbedre en bred vifte af fotoniske enheder og teknologier, fra lasere og LED'er til kvantekommunikation og sansning, samtidig med at de åbner op for muligheder inden for nye områder som kvantecomputere," sagde den førende forfatter Meng Xiong fra Danmarks Tekniske Universitet. "For eksempel kunne lyskilder baseret på disse nanokaviteter forbedre kommunikationen væsentligt ved at muliggøre hurtigere datatransmission og stærkt reduceret energiforbrug."

I tidsskriftet Optical Materials Express , viser forskerne, at deres nye nanokavitet udviser et modusvolumen en størrelsesorden mindre end tidligere vist i III-V-materialer. III-V halvledere har unikke egenskaber, der gør dem ideelle til optoelektroniske enheder. Den stærke rumlige indespærring af lys, der er demonstreret i dette arbejde, hjælper med at forbedre lys-stof-interaktion, hvilket tillader højere LED-effekter, mindre lasertærskler og højere enkeltfoton-effektiviteter.

"Lyskilder baseret på disse nye nanokaviteter kan have stor indflydelse på datacentre og computere, hvor ohmske og strømkrævende forbindelser kan erstattes af højhastigheds- og lavenergioptiske forbindelser," sagde Xiong. "De kan også bruges i avancerede billeddannelsesteknikker såsom superopløsningsmikroskopi for at muliggøre bedre sygdomsdetektion og behandlingsovervågning eller til at forbedre sensorer til forskellige applikationer, herunder miljøovervågning, fødevaresikkerhed og sikkerhed."

Forøgelse af lysinteraktion

Arbejdet er en del af en indsats fra forskere ved Danmarks Tekniske Universitets NanoPhoton-Center for Nanofotonik, som udforsker en ny klasse af dielektriske optiske hulrum, der muliggør dyb subbølgelængde indeslutning af lys gennem et princip, som forskerne har opfundet ekstrem dielektrisk indeslutning (EDC). ). Ved at forbedre interaktionen mellem lys og stof kan EDC-hulrum føre til højeffektive computere med dyb-subbølgelængde lasere og fotodetektorer, der er integreret i transistorer for at reducere energiforbruget.

I det nye arbejde designede forskerne først et EDC-hulrum i III-V-halvleder-indiumphosphid (InP) ved hjælp af en systematisk matematisk tilgang, der optimerede topologien, mens de afslappede geometriske begrænsninger. De fremstillede derefter strukturen ved hjælp af elektronstrålelitografi og tørætsning.

"EDC nanokaviteter har funktionsstørrelser ned til et par nanometer, hvilket er afgørende for at opnå ekstrem lyskoncentration, men de kommer også med en betydelig følsomhed over for fabrikationsvariationer," sagde Xiong. "Vi tilskriver vellykket realisering af hulrummet den forbedrede nøjagtighed af InP-fremstillingsplatformen, som er baseret på elektronstrålelitografi efterfulgt af tørætsning."

Gør et mindre nano-rum

Efter at have forfinet fremstillingsprocessen opnåede forskerne en bemærkelsesværdig lille dielektrisk egenskabsstørrelse på 20 nm, som blev grundlaget for anden runde af topologisk optimering. Denne sidste optimeringsrunde producerede et nanokavitet med et modusvolumen på kun 0,26 (λ/2n)³, hvor λ repræsenterer lysets bølgelængde og n dets brydningsindeks. Denne præstation er fire gange mindre end det, der ofte kaldes det diffraktionsbegrænsede volumen for en nanokavitet, hvilket svarer til en lyskasse med en sidelængde på halvdelen af ​​bølgelængden.

Forskerne påpeger, at selvom lignende hulrum med disse egenskaber for nylig blev opnået i silicium, mangler silicium de direkte bånd-til-bånd-overgange, der findes i III-V-halvledere, som er essentielle for at udnytte Purcell-forbedringen fra nanokaviteter.

"Før vores arbejde var det usikkert, om lignende resultater kunne opnås i III-V-halvledere, fordi de ikke drager fordel af de avancerede fremstillingsteknikker, der er udviklet til siliciumelektronikindustrien," sagde Xiong.

Forskerne arbejder nu på at forbedre fremstillingspræcisionen for yderligere at reducere tilstandsvolumen. De ønsker også at bruge EDC-hulrummene til at opnå en praktisk nanolaser eller nanoLED.

Flere oplysninger: Meng Xiong et al, Eksperimentel realisering af dyb sub-bølgelængde indeslutning af lys i en topologi-optimeret InP nanokavitet, Optical Materials Express (2023). DOI:10.1364/OME.513625

Journaloplysninger: Optical Materials Express

Leveret af Optica