Pengurungan Cahaya Sub-Panjang Gelombang Ditunjukkan dalam Nanocavity Semikonduktor III-V Baru

Nanocavities baru membuka jalan bagi perbaikan skala nano laser dan LED yang memungkinkan transmisi data lebih cepat menggunakan perangkat yang lebih kecil dan lebih hemat energi.

Saat kita bertransisi ke era baru dalam komputasi, terdapat kebutuhan akan perangkat baru yang mengintegrasikan fungsi elektronik dan fotonik pada skala nano sekaligus meningkatkan interaksi antara foton dan elektron. Sebagai langkah penting untuk memenuhi kebutuhan ini, para peneliti telah mengembangkan nanocavity semikonduktor III-V baru yang membatasi cahaya pada tingkat di bawah batas difraksi.

“Kavitas nano dengan volume mode ultrakecil memberikan harapan besar untuk meningkatkan berbagai perangkat dan teknologi fotonik, mulai dari laser dan LED hingga komunikasi dan penginderaan kuantum, sekaligus membuka kemungkinan di bidang baru seperti komputasi kuantum,” kata penulis utama Meng Xiong dari Technical University of Denmark. “Misalnya, sumber cahaya berdasarkan rongga nano ini dapat meningkatkan komunikasi secara signifikan dengan memungkinkan transmisi data lebih cepat dan mengurangi konsumsi energi secara signifikan.

Meningkatkan Perangkat Optoelektronik”

Di jurnal Bahan Optik Ekspres, para peneliti menunjukkan bahwa nanocavity baru mereka menunjukkan volume mode yang besarnya lebih kecil dari yang ditunjukkan sebelumnya pada material III-V. III-V semikonduktor memiliki sifat unik yang membuatnya ideal untuk perangkat optoelektronik. Pengurungan cahaya spasial yang kuat yang ditunjukkan dalam penelitian ini membantu meningkatkan interaksi materi cahaya, memungkinkan kekuatan LED yang lebih tinggi, ambang batas laser yang lebih kecil, dan frekuensi tunggal yang lebih tinggi.foton efisiensi.

“Sumber cahaya berdasarkan rongga nano baru ini dapat berdampak besar pada pusat data dan komputer, di mana koneksi ohmik dan boros daya dapat digantikan oleh koneksi optik berkecepatan tinggi dan hemat energi,” kata Xiong. “Mereka juga dapat digunakan dalam teknik pencitraan canggih seperti mikroskop resolusi super untuk memungkinkan deteksi penyakit dan pemantauan pengobatan yang lebih baik atau untuk meningkatkan sensor untuk berbagai aplikasi, termasuk pemantauan lingkungan, keselamatan dan keamanan pangan.”

Meng Xiong dan Frederik Schröder dari tim peneliti ditunjukkan dengan mikroskop optik hamburan pemindaian jarak dekat yang digunakan untuk menunjukkan pengurungan cahaya spasial dalam rongga nano baru. Nanocavities dengan volume mode ultrasmall dapat membantu meningkatkan berbagai perangkat dan teknologi fotonik. Kredit: Meng Xiong, Universitas Teknik Denmark

Memajukan Nanofotonik

Pekerjaan ini adalah bagian dari upaya para peneliti di NanoPhoton – Pusat Nanophotonics Universitas Teknik Denmark yang sedang mengeksplorasi kelas baru rongga optik dielektrik yang memungkinkan pengurungan cahaya sub-panjang gelombang dalam melalui prinsip yang para peneliti ciptakan pengurungan dielektrik ekstrim (EDC). Dengan meningkatkan interaksi antara cahaya dan materi, rongga EDC dapat menghasilkan komputer yang sangat efisien dengan laser sub-panjang gelombang dalam dan fotodetektor yang terintegrasi ke dalam transistor untuk mengurangi konsumsi energi.

Dalam karya baru mereka, para peneliti pertama kali merancang rongga EDC pada semikonduktor indium fosfida (InP) III-V menggunakan pendekatan matematika sistematis yang mengoptimalkan topologi sekaligus mengurangi kendala geometris. Mereka kemudian membuat struktur menggunakan litografi berkas elektron dan etsa kering.

“Nanocavities EDC memiliki ukuran fitur hingga beberapa nanometer, yang sangat penting untuk mencapai konsentrasi cahaya ekstrim, namun mereka juga memiliki sensitivitas yang signifikan terhadap variasi fabrikasi,” kata Xiong. “Kami menghubungkan keberhasilan realisasi rongga tersebut dengan perbaikan ketepatan Platform fabrikasi InP, yang didasarkan pada litografi berkas elektron diikuti dengan etsa kering.”

Mencapai Nanocavities Kompak

Setelah menyempurnakan proses fabrikasi, para peneliti mencapai fitur dielektrik yang sangat kecil berukuran 20 nm, yang menjadi dasar untuk optimasi topologi putaran kedua. Optimasi putaran terakhir ini menghasilkan rongga nano dengan volume mode hanya 0,26 (λ/2n)³, dengan λ mewakili panjang gelombang cahaya dan n indeks biasnya. Pencapaian ini empat kali lebih kecil dari apa yang sering disebut volume terbatas difraksi untuk nanocavity, yang setara dengan sekotak cahaya dengan panjang sisi setengah panjang gelombang.

Para peneliti menunjukkan bahwa meskipun rongga serupa dengan karakteristik ini baru-baru ini dicapai pada silikon, silikon tidak memiliki transisi pita-ke-pita langsung yang ditemukan pada semikonduktor III-V, yang penting untuk memanfaatkan peningkatan Purcell yang disediakan oleh rongga nano. “Sebelum penelitian kami dilakukan, masih belum pasti apakah hasil serupa dapat dicapai pada semikonduktor III-V karena semikonduktor III-V tidak mendapat manfaat dari teknik fabrikasi canggih yang dikembangkan untuk industri elektronik silikon,” kata Xiong.

Para peneliti sekarang berupaya meningkatkan presisi fabrikasi untuk lebih mengurangi volume mode. Mereka juga ingin menggunakan rongga EDC untuk menghasilkan nanolaser atau nanoLED yang praktis.

Referensi: “Realisasi eksperimental pengurungan cahaya sub-panjang gelombang dalam dalam nanocavity InP yang dioptimalkan dengan topologi” oleh Kresten Yvind, Jesper Mørk, Meng Xiong, Frederik Schröder, Rasmus Ellebæk Christiansen, Yi Yu, Laura Nevenka Casses, Elizaveta Semenova, Nicolas Stenger dan Ole Sigmund, 31 Januari 2024, Bahan Optik Ekspres.
DOI: doi:10.1364/OME.513625