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，可将光限制在所谓的衍射极限以下。

主要作者孟雄表示：“具有超小模式体积的纳米腔对于改进从激光器和LED到量子通信和传感等各种光子器件和技术有着巨大的希望，同时也为量子计算等新兴领域开辟了可能性。”来自丹麦技术大学。“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，他们的新型纳米腔表现出的模式体积比之前在III-V族材料中展示的模式体积小一个数量级。III-V族半导体具有独特的特性，使其成为光电器件的理想选择。这项工作中展示的强光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。

熊说：“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，其中欧姆和耗电的连接可以被高速和低能耗的光链路取代。”“它们还可以用于先进的成像技术，例如超分辨率显微镜，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、食品安全和保障。”

促进光交互

这项工作是丹麦技术大学纳米光子学中心研究人员努力的一部分，他们正在探索一种新型介电光学腔，通过研究人员创造的极端介电限制(EDC)原理实现深亚波长光限制)。通过增强光与物质之间的相互作用，EDC腔可以带来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集成到晶体管中以降低能耗。

在这项新工作中，研究人员首先使用系统数学方法在III-V半导体磷化铟(InP)中设计了EDC腔，该方法优化了拓扑，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纳米腔的特征尺寸小至几纳米，这对于实现极端的光集中至关重要，但它们对制造变化也具有显着的敏感性，”熊说。“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和干法蚀刻。”

研究团队的MengXiong和FrederikSchröder展示了用于演示新型纳米腔的空间光限制的散射扫描近场光学显微镜。具有超小模式体积的纳米腔可以帮助改进各种光子器件和技术。图片来源：MengXiong，丹麦技术大学

制作更小的纳米腔

经过改进制造工艺，研究人员实现了20nm的极小介电特征尺寸，这成为第二轮拓扑优化的基础。最后一轮优化产生了模式体积仅为0.26(λ/2n)³的纳米腔，其中λ代表光的波长，n代表光的折射率。这一成就比通常所说的纳米腔的衍射极限体积小四倍，纳米腔对应于边长为波长一半的光盒。

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半导体中发现的直接带间跃迁，而这对于利用纳米空腔提供的Purcell增强至关重要。

“在我们的工作之前，不确定是否可以在III-V族半导体中实现类似的结果，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，以进一步减小模式体积。他们还希望利用EDC腔来实现实用的纳米激光器或纳米LED。