Alors que nous passons à une nouvelle ère informatique, il existe un besoin pour de nouveaux dispositifs intégrant des fonctionnalités électroniques et photoniques à l’échelle nanométrique tout en améliorant l’interaction entre les photons et les électrons. Dans une étape importante vers la satisfaction de ce besoin, les chercheurs ont développé une nouvelle nanocavité semi-conductrice III-V qui confine la lumière à des niveaux inférieurs à la limite de diffraction.
"Les nanocavités avec des volumes de mode ultra-petits sont très prometteuses pour améliorer un large éventail de dispositifs et de technologies photoniques, des lasers et LED à la communication et à la détection quantiques, tout en ouvrant également des possibilités dans des domaines émergents tels que l'informatique quantique", a déclaré l'auteur principal Meng Xiong. de l'Université technique du Danemark. "Par exemple, les sources lumineuses basées sur ces nanocavités pourraient améliorer considérablement la communication en permettant une transmission de données plus rapide et une consommation d'énergie fortement réduite."
Dans la revue Optical Materials Express , les chercheurs montrent que leur nouvelle nanocavité présente un volume modal d'un ordre de grandeur inférieur à celui démontré précédemment dans les matériaux III-V. Les semi-conducteurs III-V possèdent des propriétés uniques qui les rendent idéaux pour les dispositifs optoélectroniques. Le fort confinement spatial de la lumière démontré dans ce travail contribue à améliorer l'interaction lumière-matière, ce qui permet des puissances de LED plus élevées, des seuils laser plus petits et des efficacités photoniques uniques plus élevées.
"Les sources lumineuses basées sur ces nouvelles nanocavités pourraient avoir un impact majeur sur les centres de données et les ordinateurs, où les connexions ohmiques et gourmandes en énergie pourraient être remplacées par des liaisons optiques à haut débit et à faible consommation d'énergie", a déclaré Xiong. "Ils pourraient également être utilisés dans des techniques d'imagerie avancées telles que la microscopie à super-résolution pour permettre une meilleure détection des maladies et un meilleur suivi des traitements ou pour améliorer les capteurs pour diverses applications, notamment la surveillance de l'environnement, la sécurité sanitaire et alimentaire."
Ces travaux font partie d'un effort mené par des chercheurs du NanoPhoton-Center for Nanophotonics de l'Université technique du Danemark, qui explorent une nouvelle classe de cavités optiques diélectriques qui permettent un confinement profond de la lumière sous la longueur d'onde grâce à un principe que les chercheurs ont inventé le confinement diélectrique extrême (EDC). ). En améliorant l'interaction entre la lumière et la matière, les cavités EDC pourraient conduire à des ordinateurs très efficaces dotés de lasers sub-longueurs d'onde profondes et de photodétecteurs intégrés dans des transistors pour réduire la consommation d'énergie.
Dans leurs nouveaux travaux, les chercheurs ont d'abord conçu une cavité EDC dans le phosphure d'indium (InP) semi-conducteur III-V en utilisant une approche mathématique systématique qui a optimisé la topologie tout en assouplissant les contraintes géométriques. Ils ont ensuite fabriqué la structure par lithographie par faisceau d'électrons et gravure sèche.
"Les nanocavités EDC ont des dimensions allant jusqu'à quelques nanomètres, ce qui est crucial pour atteindre une concentration de lumière extrême, mais elles présentent également une sensibilité significative aux variations de fabrication", a déclaré Xiong. "Nous attribuons la réalisation réussie de la cavité à la précision améliorée de la plateforme de fabrication InP, basée sur la lithographie par faisceau d'électrons suivie d'une gravure sèche."
Créer une nanocavité plus petite
Après avoir affiné le processus de fabrication, les chercheurs ont obtenu une taille de caractéristique diélectrique remarquablement petite de 20 nm, qui est devenue la base du deuxième cycle d'optimisation topologique. Ce dernier cycle d'optimisation a produit une nanocavité avec un volume modal de seulement 0,26 (λ/2n)³, où λ représente la longueur d'onde de la lumière et n son indice de réfraction. Cette réalisation est quatre fois plus petite que ce que l'on appelle souvent le volume limité par la diffraction pour une nanocavité, qui correspond à une boîte de lumière dont la longueur latérale est égale à la moitié de la longueur d'onde.
Les chercheurs soulignent que bien que des cavités similaires présentant ces caractéristiques aient été récemment réalisées dans le silicium, le silicium ne dispose pas des transitions directes de bande à bande trouvées dans les semi-conducteurs III-V, qui sont essentielles pour exploiter l'amélioration Purcell fournie par les nanocavités.
"Avant nos travaux, il n'était pas certain que des résultats similaires puissent être obtenus avec les semi-conducteurs III-V, car ils ne bénéficient pas des techniques de fabrication avancées développées pour l'industrie électronique sur silicium", a déclaré Xiong.
Les chercheurs travaillent désormais à améliorer la précision de fabrication afin de réduire davantage le volume modal. Ils souhaitent également utiliser les cavités EDC pour réaliser un nanolaser ou une nanoLED pratique.
Plus d'informations : Meng Xiong et al, Réalisation expérimentale du confinement profond de la lumière sous les longueurs d'onde dans une nanocavité InP optimisée par la topologie, Optical Materials Express (2023). DOI :10.1364/OME.513625
Informations sur le journal : Matériaux Optiques Express
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