Démonstration de confinement de la lumière sub-longueur d’onde dans une nouvelle nanocavité en semi-conducteur III-V

Art de confinement de la lumière en physique

Une percée dans la technologie de nanocavité a été réalisée par des chercheurs, créant une nanocavité semi-conductrice III-V avec un confinement de lumière sans précédent. Ce développement est sur le point de transformer les dispositifs photoniques, améliorant l’efficacité de la communication et du calcul.

De nouvelles nanocavités ouvrent la voie à des lasers et des LED à l’échelle nanométrique améliorés qui pourraient permettre une transmission de données plus rapide à l’aide de dispositifs plus petits et plus écoénergétiques.

Alors que nous passons à une nouvelle ère en matière de calcul, il existe un besoin de nouveaux dispositifs qui intègrent 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 ce que l’on appelle la limite de diffraction.

“Les nanocavités avec des volumes de modes ultrapetits offrent de grandes perspectives pour l’amélioration d’une large gamme de dispositifs et technologies photoniques, des lasers et LED aux communications quantiques et à la détection, tout en ouvrant des possibilités dans des domaines émergents tels que l’ordinateur quantique”, a déclaré l’auteur principal Meng Xiong de l’Université Technique du Danemark. “Par exemple, les sources de lumière basées sur ces nanocavités pourraient améliorer considérablement la communication en permettant une transmission de données plus rapide et une consommation d’énergie fortement réduite.

Nanocavité de phosphure d'indium

Des chercheurs ont développé une nouvelle nanocavité semi-conductrice III-V qui confine la lumière à des niveaux inférieurs à la limite de diffraction. La conception de la cavité est montrée en a, la distribution du champ électrique calculée en b et c, et des images de microscopie électronique à balayage en d-f. Crédit : Meng Xiong, Université Technique du Danemark

Amélioration des dispositifs optoélectroniques

Dans la revue Optical Materials Express, les chercheurs montrent que leur nouvelle nanocavité présente un volume de mode d’un ordre de grandeur inférieur à celui précédemment démontré dans les matériaux III-V. Les semi-conducteurs III-V ont des propriétés uniques qui les rendent idéaux pour les dispositifs optoélectroniques. Le confinement spatial intense 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 de laser plus petits et des efficacités de photon unique plus élevées.

“Les sources de lumière basées sur ces nouvelles nanocavités pourraient avoir un impact majeur sur les centres de données et les ordinateurs, où les connexions ohmiques et énergivores pourraient être remplacées par des liaisons optiques haute vitesse et faible consommation énergétique”, a déclaré Xiong. “Elles pourraient également être utilisées dans des techniques d’imagerie avancées telles que la microscopie à super-résolution pour permettre une meilleure détection des maladies et un meilleur suivi du traitement, ou pour améliorer les capteurs pour diverses applications, y compris la surveillance environnementale, la sécurité alimentaire et la sécurité.”

Meng Xiong et Frederik Schröder

Meng Xiong et Frederik Schröder de l’équipe de recherche sont montrés avec le microscope optique à balayage de champ proche utilisé pour démontrer le confinement spatial de la lumière des nouvelles nanocavités. Les nanocavités avec des volumes de modes ultrapetits pourraient aider à améliorer une vaste gamme de dispositifs et technologies photoniques. Crédit : Meng Xiong, Université Technique du Danemark

Avancement en nanophotonique

Ce travail s’inscrit dans le cadre des efforts d’un groupe de recherche du NanoPhoton de l’Université Technique du Danemark – Centre de Nanophotonique qui explore une nouvelle classe de cavités optiques diélectriques qui permettent un confinement de la lumière profondément sous la longueur d’onde à travers un principe que les chercheurs ont baptisé confinement diélectrique extrême (CDE). En améliorant l’interaction entre la lumière et la matière, les cavités CDE pourraient conduire à des ordinateurs très efficaces avec des lasers profondément sous la longueur d’onde et des photodétecteurs intégrés dans des transistors pour une consommation énergétique réduite.

Dans le nouveau travail, les chercheurs ont d’abord conçu une cavité CDE dans le semi-conducteur III-V phosphure d’indium (InP) en utilisant une approche mathématique systématique qui optimisait la topologie tout en relâchant les contraintes géométriques. Ils ont ensuite fabriqué la structure en utilisant une lithographie par faisceau d’électrons et une gravure à sec.

“Les nanocavités CDE ont des dimensions caractéristiques de quelques nanomètres, ce qui est crucial pour obtenir une concentration extrême de la lumière, mais elles sont également très sensibles aux variations de fabrication”, a déclaré Xiong. “Nous attribuons la réalisation réussie de la cavité à la précision améliorée de la plate-forme de fabrication de l’InP, qui est basée sur une lithographie par faisceau d’électrons suivie d’une gravure à sec.”

Obtention de nanocavités compactes

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 de la deuxième étape d’optimisation topologique. Cette dernière étape d’optimisation a produit une nanocavité avec un volume de mode 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 qui est souvent appelé le volume limité par la diffraction pour une nanocavité, ce qui correspond à une boîte de lumière avec un côté de la longueur standard de la moitié de la longueur d’onde.

Les chercheurs soulignent que bien que des cavités similaires avec ces caractéristiques aient récemment été obtenues en silicium, le silicium ne possède pas les transitions directes de bande à bande que l’on trouve dans les semi-conducteurs III-V, qui sont essentielles pour exploiter l’amélioration de Purcell fournie par les nanocavités. “Avant notre travail, il était incertain si des résultats similaires pourraient être obtenus dans les semi-conducteurs III-V car ils ne bénéficient pas des techniques de fabrication avancées développées pour l’industrie électronique au silicium”, a déclaré Xiong.

Les chercheurs travaillent maintenant à améliorer la précision de la fabrication pour réduire encore plus le volume de mode. Ils veulent également utiliser les cavités CDE pour obtenir un nanolaser ou une nanoLED pratique.

Référence: “Réalisation expérimentale d’un confinement de la lumière profondément sous la longueur d’onde dans une nanocavité en InP optimisée topologiquement” par Kresten Yvind, Jesper Mørk, Meng Xiong, Frederik Schröder, Rasmus Ellebæk Christiansen, Yi Yu, Laura Nevenka Casses, Elizaveta Semenova, Nicolas Stenger et Ole Sigmund, 31 janvier 2024, Optical Materials Express.
DOI: doi:10.1364/OME.513625