Schematisk av InAs-gitter i kontakt med en nanoantennuppsättning som böjer inkommande ljus så att det är tätt begränsat runt halvledarens grunda yta. Det enorma elektriska fältet som skapas över halvledarens yta accelererar fotoexciterade elektroner, som sedan lossar den extra energi de fick genom att utstråla den vid olika optiska våglängder. Kredit:Deniz Turan/UCLA
Elektroingenjörer från UCLA Samueli School of Engineering har utvecklat ett mer effektivt sätt att omvandla ljus från en våglängd till en annan, öppna dörren för förbättringar av bildprestanda, avkännings- och kommunikationssystem.
Mona Jarrahi, professor i el- och datateknik vid UCLA Samueli, ledde Naturkommunikation -publicerad forskning.
Att hitta ett effektivt sätt att omvandla ljusets våglängder är avgörande för förbättringen av många avbildnings- och avkänningstekniker. Till exempel, omvandling av inkommande ljus till terahertz-våglängder möjliggör avbildning och avkänning i optiskt ogenomskinliga miljöer. Dock, Tidigare konverteringsramverk var ineffektiva och krävde skrymmande och komplexa optiska inställningar.
Det UCLA-ledda teamet har tagit fram en lösning för att förbättra våglängdskonverteringseffektiviteten genom att utforska ett allmänt oönskat men naturligt fenomen som kallas halvledaryttillstånd.
Yttillstånd uppstår när ytatomer har ett otillräckligt antal andra atomer att binda till, orsakar ett sammanbrott i atomstrukturen. Dessa ofullständiga kemiska bindningar, även känd som "dinglande band, " orsakar vägspärrar för elektriska laddningar som strömmar genom halvledarenheter och påverkar deras prestanda.
"Det har gjorts många försök att undertrycka effekten av yttillstånd i halvledarenheter utan att inse att de har unika elektrokemiska egenskaper som skulle kunna möjliggöra enhetsfunktioner utan motstycke, sade Jarrahi, som leder UCLA Terahertz Electronics Laboratory.
Fotografera, mikroskopi, och skanning av elektronmikroskopbilder av en tillverkad nanoantennuppsättning placerad vid spetsen av en fiber för optisk-till-terahertz-våglängdsomvandling. Upphovsman:Deniz Turan/UCLA
Faktiskt, eftersom dessa ofullständiga bindningar skapar ett grunt men gigantiskt inbyggt elektriskt fält över halvledarytan, forskarna bestämde sig för att dra fördel av yttillstånd för förbättrad våglängdsomvandling.
Inkommande ljus kan träffa elektronerna i halvledargittret och flytta dem till ett högre energitillstånd, vid vilken tidpunkt de är fria att hoppa runt inom gallret. Det elektriska fältet som skapas över halvledarens yta accelererar ytterligare dessa fotoexciterade, högenergielektroner, som sedan avlastar den extra energi de fått genom att stråla ut den vid olika optiska våglängder, sålunda omvandlar våglängderna.
Dock, detta energiutbyte kan bara ske vid ytan av en halvledare och måste vara mer effektivt. För att lösa detta problem, laget införlivade en nanoantenna -array som böjer inkommande ljus så att det är tätt begränsat runt halvledarens grunda yta.
"Genom detta nya ramverk, våglängdskonvertering sker enkelt och utan någon extra tillsatt energikälla när det inkommande ljuset passerar fältet, sa Deniz Turan, studiens huvudförfattare och en medlem av Jarrahis forskningslaboratorium som nyligen tog sin doktorsexamen i elektroteknik från UCLA Samueli.
Forskarna konverterade framgångsrikt och effektivt en 1, 550-nanometer våglängd ljusstråle in i terahertz-delen av spektrumet, sträcker sig från våglängder på 100 mikrometer upp till 1 millimeter. Teamet demonstrerade våglängdskonverteringseffektiviteten genom att införliva den nya teknologin i en endoskopisk sond som kunde användas för detaljerad in vivo-avbildning och spektroskopi med hjälp av terahertzvågor.
Utan detta genombrott i våglängdsomvandling, det skulle ha krävts 100 gånger den optiska effektnivån för att uppnå samma terahertzvågor, som de tunna optiska fibrerna som används i endoskopiproben inte kan stödja. Förskottet kan gälla optisk våglängdsomvandling i andra delar av det elektromagnetiska spektrumet, allt från mikrovågsvågor till långt infraröda våglängder.
