När vi övergår till en ny era inom datoranvändning, finns det ett behov av nya enheter som integrerar elektroniska och fotoniska funktioner på nanoskala samtidigt som interaktionen mellan fotoner och elektroner förbättras. I ett viktigt steg mot att uppfylla detta behov har forskare utvecklat en ny III-V-halvledarnanokavitet som begränsar ljus vid nivåer under den så kallade diffraktionsgränsen.
"Nanokaviteter med ultrasmå lägesvolymer har ett stort löfte för att förbättra ett brett utbud av fotoniska enheter och teknologier, från lasrar och lysdioder till kvantkommunikation och avkänning, samtidigt som det öppnar upp möjligheter inom framväxande områden som kvantberäkning", säger den ledande författaren Meng Xiong från Danmarks Tekniske Universitet. "Till exempel kan ljuskällor baserade på dessa nanokaviteter förbättra kommunikationen avsevärt genom att möjliggöra snabbare dataöverföring och kraftigt minskad energiförbrukning."
I tidskriften Optical Materials Express , visar forskarna att deras nya nanokavitet uppvisar en modvolym som är en storleksordning mindre än tidigare visat i III-V-material. III-V-halvledare har unika egenskaper som gör dem idealiska för optoelektroniska enheter. Den starka rumsliga inneslutningen av ljus som visas i det här arbetet hjälper till att förbättra ljus-materia-interaktionen, vilket möjliggör högre LED-effekter, mindre lasertrösklar och högre enfotoneffektivitet.
"Ljuskällor baserade på dessa nya nanokaviteter kan ha en stor inverkan på datacenter och datorer, där ohmska och strömkrävande anslutningar kan ersättas av höghastighets- och lågenergilänkar", säger Xiong. "De kan också användas i avancerade avbildningstekniker som superupplösningsmikroskopi för att möjliggöra bättre sjukdomsdetektering och behandlingsövervakning eller för att förbättra sensorer för olika applikationer, inklusive miljöövervakning, livsmedelssäkerhet och säkerhet."
Arbetet är en del av en ansträngning av forskare vid Danmarks Tekniska Universitets NanoPhoton-Center for Nanophotonics, som utforskar en ny klass av dielektriska optiska kaviteter som möjliggör djup subvåglängds inneslutning av ljus genom en princip som forskarna har myntat extrem dielektrisk inneslutning (EDC) ). Genom att förbättra interaktionen mellan ljus och materia kan EDC-kaviteter leda till högeffektiva datorer med djupa subvåglängdslasrar och fotodetektorer som är integrerade i transistorer för minskad energiförbrukning.
I det nya arbetet designade forskarna först en EDC-kavitet i III-V-halvledarindiumfosfiden (InP) med hjälp av ett systematiskt matematiskt tillvägagångssätt som optimerade topologin samtidigt som geometriska begränsningar avslappnade. De tillverkade sedan strukturen med hjälp av elektronstrålelitografi och torretsning.
"EDC nanokaviteter har funktionsstorlekar ner till några få nanometer, vilket är avgörande för att uppnå extrem ljuskoncentration, men de kommer också med en betydande känslighet för tillverkningsvariationer", säger Xiong. "Vi tillskriver framgångsrik realisering av kaviteten den förbättrade noggrannheten hos InP-tillverkningsplattformen, som är baserad på elektronstrålelitografi följt av torretsning."
Gör ett mindre nanoutrymme
Efter att ha förfinat tillverkningsprocessen uppnådde forskarna en anmärkningsvärt liten dielektrisk egenskapsstorlek på 20 nm, vilket blev grunden för den andra omgången av topologisk optimering. Denna sista omgång av optimering producerade en nanokavitet med en modvolym på bara 0,26 (λ/2n)³, där λ representerar ljusets våglängd och n dess brytningsindex. Denna prestation är fyra gånger mindre än vad som ofta kallas den diffraktionsbegränsade volymen för en nanokavitet, vilket motsvarar en låda av ljus med en sidolängd på halva våglängden.
Forskarna påpekar att även om liknande kaviteter med dessa egenskaper nyligen uppnåddes i kisel, saknar kisel de direkta band-till-band-övergångar som finns i III-V-halvledare, vilka är viktiga för att utnyttja Purcell-förbättringen som tillhandahålls av nanokaviteter.
"Innan vårt arbete var det osäkert om liknande resultat kunde uppnås i III-V-halvledare eftersom de inte drar nytta av de avancerade tillverkningstekniker som utvecklats för kiselelektronikindustrin", säger Xiong.
Forskarna arbetar nu med att förbättra tillverkningsprecisionen för att ytterligare minska modvolymen. De vill också använda EDC-kaviteterna för att åstadkomma en praktisk nanolaser eller nanoLED.
Mer information: Meng Xiong et al, Experimentell realisering av djup sub-våglängdsinneslutning av ljus i en topologioptimerad InP nanokavitet, Optical Materials Express (2023). DOI:10.1364/OME.513625
Journalinformation: Optical Materials Express
Tillhandahålls av Optica
