隨著我們過渡到計(jì)算的新時(shí)代，需要新的設(shè)備在納米尺度上集成電子和光子功能，同時(shí)增強(qiáng)光子和電子之間的相互作用。在滿足這一需求的重要一步中，研究人員開發(fā)了一種新的 III-V 族半導(dǎo)體納米腔，可將光限制在所謂的衍射極限以下。

主要作者孟熊表示：“具有超小模式體積的納米腔對于改進(jìn)從激光器和 LED 到量子通信和傳感等各種光子器件和技術(shù)有著巨大的希望，同時(shí)也為量子計(jì)算等新興領(lǐng)域開辟了可能性。”來自丹麥技術(shù)大學(xué)。“例如，基于這些納米腔的光源可以通過實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸和大幅降低能耗來顯著改善通信。”

在《光學(xué)材料快報(bào)》雜志上，研究人員表明，他們的新型納米腔表現(xiàn)出的模式體積比之前在 III-V 材料中展示的要小一個數(shù)量級。III-V 族半導(dǎo)體具有獨(dú)特的特性，使其成為光電器件的理想選擇。這項(xiàng)工作中展示的強(qiáng)光空間限制有助于增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)更高的 LED 功率、更小的激光閾值和更高的單光子效率。

“基于這些新型納米腔的光源可能會對數(shù)據(jù)中心和計(jì)算機(jī)產(chǎn)生重大影響，其中歐姆和耗電的連接可以被高速和低能耗的光學(xué)鏈路取代，”熊說。“它們還可以用于先進(jìn)的成像技術(shù)，例如超分辨率顯微鏡，以實(shí)現(xiàn)更好的疾病檢測和治療監(jiān)測，或改進(jìn)各種應(yīng)用的傳感器，包括環(huán)境監(jiān)測、食品安全和安保。”

促進(jìn)光交互

這項(xiàng)工作是丹麥技術(shù)大學(xué)納米光子學(xué)中心研究人員努力的一部分，他們正在探索一種新型介電光學(xué)腔，通過研究人員創(chuàng)造的極端介電限制(EDC)原理實(shí)現(xiàn)深亞波長光限制。通過增強(qiáng)光與物質(zhì)之間的相互作用，EDC 腔可以帶來具有深亞波長激光器和光電探測器的高效計(jì)算機(jī)，這些激光器和光電探測器集成到晶體管中以降低能耗。

在這項(xiàng)新工作中，研究人員首先使用系統(tǒng)數(shù)學(xué)方法在 III-V 半導(dǎo)體磷化銦 (InP) 中設(shè)計(jì)了 EDC 腔，該方法優(yōu)化了拓?fù)?，同時(shí)放寬了幾何約束。然后他們使用電子束光刻和干法蝕刻制造了該結(jié)構(gòu)。

“EDC 納米腔的特征尺寸小至幾納米，這對于實(shí)現(xiàn)極端的光集中至關(guān)重要，但它們對制造變化也具有顯著的敏感性，”熊說。“我們將腔體的成功實(shí)現(xiàn)歸功于 InP 制造平臺精度的提高，該平臺基于電子束光刻和干法蝕刻。”

制作更小的納米腔

經(jīng)過改進(jìn)制造工藝，研究人員實(shí)現(xiàn)了 20 nm 的極小介電特征尺寸，這成為第二輪拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)。最后一輪優(yōu)化產(chǎn)生了模式體積僅為 0.26 (λ/2n)³ 的納米腔，其中 λ 代表光的波長，n 代表光的折射率。這一成就比通常所說的納米腔的衍射極限體積小四倍，納米腔對應(yīng)于邊長為波長一半的光盒。

研究人員指出，盡管最近在硅中實(shí)現(xiàn)了具有這些特性的類似空腔，但硅缺乏 III-V 半導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)的直接帶間躍遷，而這對于利用納米空腔提供的 Purcell 增強(qiáng)至關(guān)重要。“在我們的工作之前，不確定 III-V 族半導(dǎo)體是否可以實(shí)現(xiàn)類似的結(jié)果，因?yàn)樗鼈儧]有受益于為硅電子行業(yè)開發(fā)的先進(jìn)制造技術(shù)，”熊說。

研究人員現(xiàn)在正在努力提高制造精度，以進(jìn)一步減小模式體積。他們還希望利用 EDC 腔來實(shí)現(xiàn)實(shí)用的納米激光器或納米 LED。