InPナノ共振器における光のサブ波長閉じ込めを実証

February, 8, 2024, Washington--新しいナノ共振器は、より小型でエネルギー効率の高いデバイスを使用してより高速なデータ伝送を可能にする、強化されたナノスケールのレーザとLEDへの道を開く。

コンピューティングの新時代への移行に伴い、光子と電子の相互作用を強化しながら、ナノスケールで電子機能と光機能を統合する新しいデバイスが必要になる。このニーズを満たすための重要なステップとして、研究者たちは、いわゆる回折限界以下のレベルで光を閉じ込める新しいIII-V族半導体ナノ共振器を開発した。

「超小型モードボリュームのナノキャビティは、レーザやLEDから量子通信やセンシングまで、幅広いフォトニックデバイスや技術を向上させるだけでなく、量子コンピューティングなどの新興分野の可能性を開く上で大きな可能性を秘めている。例えば、これらのナノ共振器をベースにした光源は、より高速なデータ伝送とエネルギー消費の大幅な削減を可能にすることで、通信を大幅に改善することができる」と、DTUのMeng Xiongはコメントしている。

Optical Materials Express誌に掲載された論文で、研究チームは、新しいナノ共振器が、これまでIII-V族材料で実証されていたものよりも一桁小さいモード体積を示すことを示した。III-V族半導体は、オプトエレクトロニクスデバイスに最適な独自の特性を持っている。この研究で実証された光の強力な空間的閉じ込めは、光と物質の相互作用を強化するのに役立ち、より高いLED出力、より小さなレーザ閾値、およびより高い単一光子効率を可能にする。

「これらの新しいナノ共振器ベースの光源は、データセンタやコンピュータに大きな影響を与える可能性がある。そこでは、抵抗や電力を大量に消費する接続を、高速で低エネルギーの光リンクに置き換えることができる。また、超解像顕微鏡などの高度なイメージング技術にも使用して、病気の検出や治療のモニタリングを改善したり、環境モニタリング、食品の安全性、セキュリティなど、様々なアプリケーションのセンサを改善したりすることもできる」(Xiong)。

光の相互作用を後押し
この研究は、デンマーク工科大学(DTU)のナノフォトン・ナノフォトニクス・センタの研究者による取り組みの一環であり、研究チームが極限誘電体閉じ込め(EDC)と名付けた原理により、光の深いサブ波長の閉じ込めを可能にする新しいクラスの誘電体光共振器を探求している。EDC共振器は、光と物質の相互作用を高めることで、深波長レーザと光検出器をトランジスタに内蔵してエネルギー消費を削減する高効率のコンピュータにつながる可能性がある。

今回の研究では、III-V族半導体リン化インジウム(InP)にEDCキャビティを設計し、幾何学的制約を緩和しながらトポロジーを最適化する体系的な数学的アプローチを採用した。次に、電子ビームリソグラフィーとドライエッチングを使用して構造を作製した。

「EDCナノキャビティは、数nmまでの特徴サイズを持ち、これは極端な光集中達成のために重要であるが、製造のバラツキに対する感度も高くなる。キャビティの実現に成功したのは、電子ビームリソグラフィーとそれに続くドライエッチングに基づくInP製造プラットフォームの精度が向上したためであると考えている」(Xiong)。

ナノ共振器の小型化
製造プロセスを改良した後、研究チームは20nmという非常に小さな誘電体形状サイズを達成し、これがトポロジカル最適化の第2ラウンドの基礎となった。この最後の最適化により、モード体積がわずか0.26(λ/2n)³のナノ共振器が生成された(λは光の波長、nは屈折率)。この成果は、ナノ共振器の回折限界体積と呼ばれるもの(一辺の長さが波長の半分の光の箱に相当)の1/4である。

研究チームの指摘によると、これらの特性を持つ同様の共振器が最近シリコンで達成されたが、シリコンには、ナノ共振器によってもたらされるパーセルエンハンスメントを利用するために不可欠な、III-V族半導体に見られる直接的なバンド間遷移が欠けている。
「われわれの研究が始まる前は、III-V族半導体はシリコンエレクトロニクス業界向けに開発された高度な製造技術の恩恵を受けていないため、同様の結果を達成できるかどうかは不確かだった」(Xiong)。

現在、研究チームは、モード体積をさらに減らすために、製造精度の向上に取り組んでいる。また、EDCキャビティを使用して、実用的なナノレーザまたはナノLEDを実現したいと考えている。