Sebuah terobosan dalam teknologi nanocavity telah dicapai oleh para peneliti, menciptakan nanocavity semikonduktor III-V dengan pengekangan cahaya yang belum pernah terjadi sebelumnya. Perkembangan ini bertujuan untuk mengubah perangkat fotonik, meningkatkan efisiensi komunikasi dan komputasi. Kredit: SciTechDaily.com
Nanocavities baru membuka jalan untuk peningkatan 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.
“Nanocavities dengan volume mode ultrasmall 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-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.
Para peneliti mengembangkan nanocavity semikonduktor III-V baru yang membatasi cahaya pada tingkat di bawah batas difraksi. Desain rongga ditunjukkan pada a, perhitungan distribusi medan listrik pada b dan c, dan pemindaian gambar mikroskop elektron pada df. Kredit: Meng Xiong, Universitas Teknik Denmark
Meningkatkan Perangkat Optoelektronik”
Di jurnal Bahan Optik Eksprespara peneliti menunjukkan bahwa nanocavity baru mereka menunjukkan volume mode dengan urutan besarnya lebih kecil dari yang ditunjukkan sebelumnya pada material III-V. III-V semikonduktor memiliki sifat unik yang menjadikannya ideal untuk perangkat optoelektronik. Pengurungan cahaya spasial yang kuat yang ditunjukkan dalam karya ini membantu meningkatkan interaksi materi cahaya, yang memungkinkan kekuatan LED lebih tinggi, ambang batas laser lebih kecil, dan frekuensi tunggal yang lebih tinggi.foto 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 sambungan optik berkecepatan tinggi dan berenergi rendah,” 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, keamanan dan keamanan pangan.”
Meng Xiong dan Frederik Schröder dari tim peneliti diperlihatkan dengan pemindaian hamburan mikroskop optik jarak dekat yang digunakan untuk menunjukkan pengurungan cahaya spasial pada 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 merupakan 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 diintegrasikan ke dalam transistor untuk mengurangi konsumsi energi.
Dalam karya barunya, para peneliti pertama kali merancang rongga EDC di semikonduktor indium fosfida (InP) III-V menggunakan pendekatan matematika sistematis yang mengoptimalkan topologi sambil mengurangi batasan 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 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. Putaran optimasi 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 pekerjaan kami dilakukan, masih belum pasti apakah hasil serupa dapat dicapai pada semikonduktor III-V karena mereka tidak mendapatkan 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
