Понедельник, 4 марта, 2024
ДомойФизикаУдержание субволнового света продемонстрировано в новых полупроводниковых нанорезонаторах III-V

Удержание субволнового света продемонстрировано в новых полупроводниковых нанорезонаторах III-V

- Advertisement -

Прорыв в технологии нанорезонаторов был достигнут исследователями, создавшими полупроводниковые нанорезонаторы III-V с беспрецедентным ограничением света. Эта разработка призвана преобразовать фотонные устройства, повысив эффективность связи и вычислений. Фото: SciTechDaily.com

Новые нанополости открывают путь к усовершенствованию наномасштаб лазеры и светодиоды, которые могут обеспечить более быструю передачу данных с использованием меньших по размеру и более энергоэффективных устройств.

По мере того, как мы переходим в новую эру вычислений, существует потребность в новых устройствах, которые объединяют электронные и фотонные функции на наноуровне, одновременно улучшая взаимодействие между фотонами и электронами. Важным шагом на пути к удовлетворению этой потребности стала разработка новой полупроводниковой нанорезонации III-V, которая удерживает свет на уровнях ниже так называемого дифракционного предела.

«Нанорезонаторы со сверхмалыми объемами мод открывают большие перспективы для улучшения широкого спектра фотонных устройств и технологий, от лазеров и светодиодов до квантовой связи и зондирования, а также открывают возможности в новых областях, таких как квантовые вычисления», — сказал ведущий автор Мэн Сюн из Технического университета Дании. «Например, источники света на основе этих нанополостей могут значительно улучшить связь, обеспечивая более быструю передачу данных и значительно снижая потребление энергии.

Исследователи разработали новую полупроводниковую нанополость III-V, которая удерживает свет на уровнях ниже дифракционного предела. Конструкция полости показана на а, рассчитанное распределение электрического поля на б и в, изображения, полученные сканирующей электронной микроскопией, на df. Фото: Мэн Сюн, Технический университет Дании.

Совершенствование оптоэлектронных устройств»

В журнале Оптические материалы ЭкспрессИсследователи показывают, что их новая нанополость имеет модовый объем на порядок меньший, чем ранее продемонстрированный в материалах III-V. III-V полупроводники обладают уникальными свойствами, которые делают их идеальными для оптоэлектронных устройств. Сильное пространственное ограничение света, продемонстрированное в этой работе, помогает улучшить взаимодействие света и материи, что позволяет использовать более высокие мощности светодиодов, меньшие лазерные пороги и более высокие однократные характеристики.фотон эффективность.

«Источники света на основе этих новых нанополостей могут оказать серьезное влияние на центры обработки данных и компьютеры, где омические и энергоемкие соединения могут быть заменены высокоскоростными и низкоэнергетическими оптическими каналами», — сказал Сюн. «Их также можно использовать в передовых методах визуализации, таких как микроскопия сверхвысокого разрешения, чтобы обеспечить лучшее обнаружение заболеваний и мониторинг лечения или улучшить датчики для различных приложений, включая мониторинг окружающей среды, безопасность пищевых продуктов».

Мэн Сюн и Фредерик Шредер из исследовательской группы показаны с помощью сканирующего ближнепольного оптического микроскопа, используемого для демонстрации пространственного ограничения света в новых нанополостях. Нанорезонаторы со сверхмалыми модовыми объемами могут помочь улучшить широкий спектр фотонных устройств и технологий. Фото: Мэн Сюн, Технический университет Дании.

Развитие нанофотоники

Работа является частью усилий исследователей из Технического университета Дании. НаноФотон – Центр нанофотоники которые исследуют новый класс диэлектрических оптических резонаторов, которые обеспечивают глубокое субволновое ограничение света посредством принципа, который исследователи назвали экстремальным диэлектрическим ограничением (EDC). Усиливая взаимодействие между светом и материей, EDC-резонаторы могут привести к созданию высокоэффективных компьютеров с глубоковолновыми лазерами и фотодетекторами, которые интегрированы в транзисторы для снижения энергопотребления.

В новой работе исследователи сначала спроектировали EDC-резонатор в полупроводниковом фосфиде индия (InP) III-V, используя систематический математический подход, который оптимизировал топологию при одновременном ослаблении геометрических ограничений. Затем они изготовили структуру с помощью электронно-лучевой литографии и сухого травления.

«Нанополости EDC имеют размеры до нескольких нанометров, что имеет решающее значение для достижения экстремальной концентрации света, но они также обладают значительной чувствительностью к изменениям в производстве», — сказал Сюн. «Мы связываем успешную реализацию полости с улучшенным точность производственной платформы InP, основанной на электронно-лучевой литографии с последующим сухим травлением».

Достижение компактных нанополостей

После усовершенствования процесса изготовления исследователи добились удивительно малого размера диэлектрической детали — 20 нм, что стало основой для второго раунда топологической оптимизации. Этот последний раунд оптимизации позволил получить нанополость с модовым объемом всего 0,26 (λ/2n)³, где λ представляет длину волны света, а n — его показатель преломления. Это достижение в четыре раза меньше, чем то, что часто называют дифракционно-ограниченным объемом нанополости, который соответствует световому ящику с длиной стороны в половину длины волны.

Исследователи отмечают, что хотя аналогичные полости с такими характеристиками недавно были получены в кремнии, в кремнии отсутствуют прямые межзонные переходы, обнаруженные в полупроводниках III-V, которые необходимы для использования усиления Парселла, обеспечиваемого нанополостями. «До нашей работы было неясно, можно ли достичь аналогичных результатов в полупроводниках III-V, поскольку они не используют передовые технологии изготовления, разработанные для индустрии кремниевой электроники», — сказал Сюн.

В настоящее время исследователи работают над повышением точности изготовления, чтобы еще больше уменьшить объем моды. Они также хотят использовать полости EDC для создания практичного нанолазера или наносветодиода.

Ссылка: «Экспериментальная реализация глубокого субволнового ограничения света в нанорезонаторе InP с оптимизированной топологией» Крестен Ивинд, Йеспер Мёрк, Мэн Сюн, Фредерик Шредер, Расмус Эллебек Кристиансен, Йи Ю, Лаура Невенка Кассес, Елизавета Семенова, Николас Стенгер и Оле Зигмунд, 31 января 2024 г., Оптические материалы Экспресс.
DOI: doi:10.1364/OME.513625

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме