Confinamento de luz em subcomprimentos de onda demonstrado na nanocavidade de fosfeto de índio


Confinamento de luz em subcomprimentos de onda demonstrado na nanocavidade de fosfeto de índio

Os pesquisadores desenvolveram uma nova nanocavidade semicondutora III-V que confina a luz em níveis abaixo do limite de difração. O desenho da cavidade é mostrado em a, a distribuição calculada do campo elétrico em b e c, e imagens de microscopia eletrônica de varredura em df. Crédito: Meng Xiong, Universidade Técnica da Dinamarca

À medida que transitamos para uma nova era na computação, há necessidade de novos dispositivos que integrem funcionalidades electrónicas e fotónicas à nanoescala, melhorando ao mesmo tempo a interacção entre fotões e electrões. Num passo importante para satisfazer esta necessidade, os investigadores desenvolveram uma nova nanocavidade semicondutora III-V que confina a luz em níveis abaixo do chamado limite de difração.

“Nanocavidades com volumes de modo ultrapequenos são uma grande promessa para melhorar uma ampla gama de dispositivos e tecnologias fotônicas, desde lasers e LEDs até comunicação e detecção quântica, ao mesmo tempo que abrem possibilidades em campos emergentes como a computação quântica”, disse o principal autor Meng Xiong. da Universidade Técnica da Dinamarca. “Por exemplo, fontes de luz baseadas nessas nanocavidades poderiam melhorar significativamente a comunicação, permitindo uma transmissão de dados mais rápida e reduzindo fortemente o consumo de energia.”

No diário Expresso de materiais ópticos, os pesquisadores mostram que sua nova nanocavidade exibe um volume modal uma ordem de grandeza menor do que o demonstrado anteriormente em materiais III-V. Os semicondutores III-V possuem propriedades únicas que os tornam ideais para dispositivos optoeletrônicos. O forte confinamento espacial da luz demonstrado neste trabalho ajuda a melhorar a interação luz-matéria, o que permite maiores potências de LED, limiares de laser menores e maiores eficiências de fóton único.

“As fontes de luz baseadas nessas novas nanocavidades podem ter um grande impacto nos data centers e nos computadores, onde as conexões ôhmicas e que consomem muita energia poderiam ser substituídas por links ópticos de alta velocidade e baixa energia”, disse Xiong. “Eles também poderiam ser usados ​​em técnicas avançadas de imagem, como microscopia de super-resolução, para permitir melhor detecção de doenças e monitoramento de tratamento ou para melhorar sensores para diversas aplicações, incluindo monitoramento ambiental e segurança alimentar”.

Aumentando a interação com a luz

O trabalho é parte de um esforço de pesquisadores do NanoPhoton-Center for Nanophotonics da Universidade Técnica da Dinamarca, que estão explorando uma nova classe de cavidades ópticas dielétricas que permitem o confinamento profundo da luz em subcomprimentos de onda por meio de um princípio que os pesquisadores cunharam de confinamento dielétrico extremo (EDC ). Ao melhorar a interação entre luz e matéria, as cavidades EDC poderiam levar a computadores altamente eficientes com lasers de comprimento de onda profundo e fotodetectores integrados em transistores para reduzir o consumo de energia.

No novo trabalho, os pesquisadores primeiro projetaram uma cavidade EDC no semicondutor fosfeto de índio (InP) III-V usando uma abordagem matemática sistemática que otimizou a topologia enquanto relaxava as restrições geométricas. Eles então fabricaram a estrutura usando litografia por feixe de elétrons e gravação a seco.

“As nanocavidades de EDC têm tamanhos de até alguns nanômetros, o que é crucial para alcançar concentrações extremas de luz, mas também apresentam uma sensibilidade significativa às variações de fabricação”, disse Xiong. “Atribuímos a realização bem-sucedida da cavidade à maior precisão da plataforma de fabricação do InP, que é baseada na litografia por feixe de elétrons seguida de ataque a seco.”

Confinamento de luz em subcomprimentos de onda demonstrado na nanocavidade de fosfeto de índio

Meng Xiong e Frederik Schröder da equipe de pesquisa são mostrados com o microscópio óptico de campo próximo de varredura por espalhamento usado para demonstrar o confinamento espacial da luz das novas nanocavidades. Nanocavidades com volumes de modo ultrapequenos poderiam ajudar a melhorar uma ampla gama de dispositivos e tecnologias fotônicas. Crédito: Meng Xiong, Universidade Técnica da Dinamarca

Fazendo uma nanocavidade menor

Depois de refinar o processo de fabricação, os pesquisadores alcançaram um tamanho dielétrico notavelmente pequeno de 20 nm, que se tornou a base para a segunda rodada de otimização topológica. Esta última rodada de otimização produziu uma nanocavidade com um volume modal de apenas 0,26 (λ/2n)³, onde λ representa o comprimento de onda da luz en seu índice de refração. Essa conquista é quatro vezes menor do que o que costuma ser chamado de volume limitado por difração para uma nanocavidade, que corresponde a uma caixa de luz com um comprimento lateral de metade do comprimento de onda.

Os pesquisadores apontam que, embora cavidades semelhantes com essas características tenham sido alcançadas recentemente no silício, o silício carece das transições diretas banda a banda encontradas nos semicondutores III-V, que são essenciais para aproveitar o aprimoramento Purcell fornecido pelas nanocavidades.

“Antes do nosso trabalho, era incerto se resultados semelhantes poderiam ser alcançados em semicondutores III-V porque eles não se beneficiam das técnicas avançadas de fabricação desenvolvidas para a indústria eletrônica de silício”, disse Xiong.

Os pesquisadores estão agora trabalhando para melhorar a precisão da fabricação para reduzir ainda mais o volume do modo. Eles também querem usar as cavidades EDC para obter um nanolaser ou nanoLED prático.

Mais Informações:
Meng Xiong et al, Realização experimental de confinamento profundo de luz em subcomprimentos de onda em uma nanocavidade InP otimizada para topologia, Expresso de materiais ópticos (2023). DOI: 10.1364/OME.513625

Citação: Confinamento de luz em subcomprimentos de onda demonstrado em nanocavidade de fosfeto de índio (2024, 24 de janeiro) recuperado em 24 de janeiro de 2024 em https://phys.org/news/2024-01-wavelength-confinement-indium-fosfoide-nanocavity.html

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