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."

Na revista Optical Materials Express , 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”.

Aumentar 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."

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 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, Optical Materials Express (2023). DOI:10.1364/OME.513625
Informações do diário: Expresso de Materiais Ópticos

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