Sub-golflengte opsluiting van licht gedemonstreerd in nanoholte van indiumfosfide

Nu we overgaan naar een nieuw computertijdperk, is er behoefte aan nieuwe apparaten die elektronische en fotonische functionaliteiten op nanoschaal integreren en tegelijkertijd de interactie tussen fotonen en elektronen verbeteren. In een belangrijke stap in de richting van het vervullen van deze behoefte hebben onderzoekers een nieuwe III-V halfgeleider nanoholte ontwikkeld die licht opsluit op niveaus onder de zogenaamde diffractielimiet.

“Nanoholten met ultrakleine volumes zijn veelbelovend voor het verbeteren van een breed scala aan fotonische apparaten en technologieën, van lasers en LED’s tot kwantumcommunicatie en -detectie, terwijl ze ook mogelijkheden openen op opkomende gebieden zoals kwantumcomputers”, zegt de leidende auteur Meng Xiong. van de Technische Universiteit van Denemarken. “Lichtbronnen op basis van deze nanoholten kunnen bijvoorbeeld de communicatie aanzienlijk verbeteren door snellere datatransmissie mogelijk te maken en het energieverbruik sterk te verminderen.”

In het journaal Optische materialen Expressde onderzoekers laat zien hun nieuwe nanoholte vertoont een modusvolume dat een orde van grootte kleiner is dan eerder aangetoond in III-V-materialen. III-V-halfgeleiders hebben unieke eigenschappen die ze ideaal maken voor opto-elektronische apparaten. De sterke ruimtelijke opsluiting van licht die in dit werk wordt gedemonstreerd, helpt de interactie tussen licht en materie te verbeteren, wat hogere LED-vermogens, kleinere laserdrempels en hogere efficiëntie van afzonderlijke fotonen mogelijk maakt.

“Lichtbronnen gebaseerd op deze nieuwe nanoholtes kunnen een grote impact hebben op datacenters en computers, waar ohmse en energievretende verbindingen kunnen worden vervangen door snelle en energiezuinige optische verbindingen”, aldus Xiong. “Ze kunnen ook worden gebruikt in geavanceerde beeldvormingstechnieken zoals superresolutiemicroscopie om betere ziektedetectie en behandelingsmonitoring mogelijk te maken of om sensoren voor verschillende toepassingen te verbeteren, waaronder milieumonitoring, voedselveiligheid en -beveiliging.”

Verbetering van de lichtinteractie

Het werk maakt deel uit van een inspanning van onderzoekers van het NanoPhoton-Center for Nanophotonics van de Technische Universiteit van Denemarken, die een nieuwe klasse van diëlektrische optische holtes onderzoeken die diepe opsluiting van licht onder de golflengte mogelijk maken via een principe dat de onderzoekers extreme diëlektrische opsluiting (EDC) hebben bedacht. ). Door de interactie tussen licht en materie te verbeteren, kunnen EDC-holtes leiden tot zeer efficiënte computers met lasers met diepe subgolflengte en fotodetectoren die in transistors zijn geïntegreerd om het energieverbruik te verminderen.

In het nieuwe werk ontwierpen de onderzoekers eerst een EDC-holte in de III-V-halfgeleider indiumfosfide (InP) met behulp van een systematische wiskundige benadering die de topologie optimaliseerde en tegelijkertijd de geometrische beperkingen versoepelde. Vervolgens vervaardigden ze de structuur met behulp van elektronenbundellithografie en droog etsen.

“EDC-nanoholtes hebben kenmerkende afmetingen tot enkele nanometers, wat cruciaal is voor het bereiken van extreme lichtconcentraties, maar ze zijn ook aanzienlijk gevoelig voor fabricagevariaties”, aldus Xiong. “We schrijven de succesvolle realisatie van de holte toe aan de verbeterde nauwkeurigheid van het InP-fabricageplatform, dat is gebaseerd op elektronenbundellithografie gevolgd door droog etsen.”

Een kleinere nanoholte maken

Na het verfijnen van het fabricageproces bereikten de onderzoekers een opmerkelijk kleine diëlektrische kenmerkgrootte van 20 nm, wat de basis werd voor de tweede ronde van topologische optimalisatie. Deze laatste optimalisatieronde leverde een nanoholte op met een modusvolume van slechts 0,26 (λ/2n)³, waarbij λ de golflengte van het licht vertegenwoordigt en n de brekingsindex ervan. Deze prestatie is vier keer kleiner dan wat vaak het diffractie-gelimiteerde volume voor een nanoholte wordt genoemd, wat overeenkomt met een lichtdoos met een zijdelengte van de helft van de golflengte.

De onderzoekers wijzen erop dat hoewel soortgelijke holtes met deze kenmerken recentelijk in silicium zijn bereikt, silicium de directe band-naar-band-overgangen mist die worden aangetroffen in III-V-halfgeleiders, die essentieel zijn voor het benutten van de Purcell-verbetering die door nanoholten wordt geboden.

“Voorafgaand aan ons werk was het onzeker of vergelijkbare resultaten konden worden bereikt in III-V-halfgeleiders, omdat ze niet profiteren van de geavanceerde fabricagetechnieken die zijn ontwikkeld voor de siliciumelektronica-industrie”, aldus Xiong.

De onderzoekers werken nu aan het verbeteren van de fabricageprecisie om het modusvolume verder te verminderen. Ook willen ze de EDC-caviteiten gebruiken om een ​​praktische nanolaser of nanoLED te realiseren.