研究人员在纳米腔技术方面取得了突破，创造了具有前所未有的光约束的III-V族半导体纳米腔。这一发展将改变光子器件，提高通信和计算效率。新的纳米腔为增强的纳米级激光器和LED铺平了道路，这些激光器和LED可以使用更小、更节能的设备实现更快的数据传输。
随着我们过渡到计算的新时代，需要新的设备，在纳米尺度上集成电子和光子功能，同时增强光子和电子之间的相互作用。在满足这一需求的重要一步中，研究人员开发了一种新的III-V族半导体纳米腔，该纳米腔将光限制在所谓的衍射极限以下。
“具有超小模式体积的纳米腔在改进从激光和LED到量子通信和传感的各种光子器件和技术方面具有巨大的前景，同时也在量子计算等新兴领域开辟了可能性，”丹麦技术大学的主要作者Meng Xiong说.“例如，基于这些纳米腔的光源可以通过实现更快的数据传输和大幅降低能耗来显着改善通信。
在《光学材料快报》杂志上，研究人员表明，他们的新纳米腔表现出的模态体积比以前在III-V族材料中展示的要小一个数量级。III-V族半导体具有独特的性能，使其成为光电器件的理想选择。这项工作中展示的光的强空间限制有助于增强光与物质的相互作用，从而实现更高的 LED 功率、更小的激光阈值和更高的单光子效率。
“基于这些新型纳米腔的光源可能会对数据中心和计算机产生重大影响，在这些数据中心和计算机中，欧姆和耗电的连接可能会被高速和低能耗的光链路所取代，”熊说。“它们还可以用于先进的成像技术，如超分辨率显微镜，以实现更好的疾病检测和治疗监测，或改进各种应用的传感器，包括环境监测、食品安全和安保。
这项工作是丹麦技术大学纳米光子中心研究人员努力的一部分，他们正在探索一类新型介电光学腔，通过研究人员创造的极端介电约束原理实现光的深度亚波长限制。通过增强光和物质之间的相互作用，EDC腔可以产生具有深亚波长激光器和光电探测器的高效计算机，这些激光器和光电探测器被集成到晶体管中，以降低能耗。
在这项新研究中，研究人员首先使用系统的数学方法在III-V族半导体磷化铟中设计了一个EDC腔，该方法优化了拓扑结构，同时放宽了几何约束。然后，他们使用电子束光刻和干法蚀刻制造了该结构。
“EDC纳米腔的特征尺寸低至几纳米，这对于实现极端光浓度至关重要，但它们对制造变化也具有显着的敏感性，”Xiong说。“我们将腔体的成功实现归功于InP制造平台精度的提高，该平台基于电子束光刻，然后进行干法蚀刻。”
在改进制造工艺后，研究人员获得了非常小的介电特征尺寸，仅为20 nm，这成为第二轮拓扑优化的基础。最后一轮优化产生了一个模体积仅为 0.26 ³ 的纳米腔，其中 λ 代表光的波长和 n 的折射率。这一成就比通常所说的纳米腔的衍射极限体积小四倍，纳米腔对应于一盒边长为波长一半的光。
研究人员指出，尽管最近在硅中实现了具有这些特性的类似空腔，但硅缺乏III-V族半导体中发现的直接带间跃迁，这对于利用纳米腔提供的Purcell增强至关重要。“在我们的工作之前，不确定III-V族半导体是否能取得类似的结果，因为它们没有受益于为硅电子行业开发的先进制造技术，”熊说。
研究人员现在正在努力提高制造精度，以进一步减小模体积。他们还希望使用EDC腔来实现实用的纳米激光器或nanoLED。
