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介电纳米级领结形光子晶体允许超高强度的光约束

发布:optics1阅读:1983时间:2018-9-18 20:10:56

得益于美国范德堡大学电子工程和计算机科学系Sharon Weiss所带领团队的研究成果,在光子晶体具有超低损耗和腔体寿命的情况下,匹配等离子体共振器的亚波长限制能力可能有了更近一步的发展。

研究人员首次通过实验证明了在硅“领结”晶体腔中可实现光限制。这篇发表在《科学》杂志上的文章证实了该研究团队在2016年所做的理论预测,并为全介电场增强和限制铺平了道路,这对光伏、计算、传感和量子光学等领域的应用至关重要。长期以来,将光限制在亚波长体积中一直是一个不小的困难,而这次它规避了传统光学显微镜的衍射极限,允许探测更小的区域,因此会很有吸引力。

图1 领结形光子晶体的艺术渲染图,在此致谢提供图片的Ella Maru Studio

此外,相关的局部场增强会引起强烈的光—物质相互作用,研究人员可以对其进行操作以期望产生下一代光子技术。捕获光的其中一种方法是通过时间限制,在这种限制中,光被保存在质量因数为Q的腔内,时间越长越好。实际上,基于电介质的腔具有非常高的Q因子,能够很好地保存入射光。但与它们的等离子体对应物相反,电介质纳米结构中的光限制是受衍射限制的,这意味着腔体所保持光的体积永远不会比入射波长小太多。

在这项研究的最近工作中,Weiss及其同事成功地将高Q因子与模式体积相结合,类似的实验一般会使用等离子体结构来实现此目的,而这次他们使用了晶胞为领结形状的光子晶体腔。

第一个限制步骤是:跟其他任何光学材料一样,在晶体两种组成材料之间的折射率对比下,硅会带有气孔。具有不同折射率的这种结构会迫使光在某些方向上优先散射并防止光线在其它方向上传播,这完全类似于原子电势为晶体电子造成带隙的方式,因此被称为光子带隙效应。然而,与传统的光子晶体不同的是,这个腔体的晶格孔呈现出纳米领结形状的电介质包含物,它会进一步作用于尖端之间的光线定位。这种两步现象有效地保留了光子晶体腔的高Q因子,同时它也在领结尖端上实现了强烈的光空间约束。

整体实验

为了制造出这样一种有效的材料,精确的纳米尺度控制是必不可少的。对硅光子晶体的领结晶胞厚度进行调制,以形成V形沟槽。然后通过组装连续的晶胞来构建空腔,其中心以450nm的距离间隔开。位于中心的晶胞具有150nm的半径,随后每个后续晶胞的半径逐渐增加,一直到位于最远的腔室两侧晶胞半径为187nm。总体上,该腔在中心单元的每一侧呈现出20个晶胞和10个镜像晶胞,实验结果表明,与标准的圆形光子晶体晶胞相比,单个领结形晶胞的电场峰值增加了80倍。

图2 Sharon Weiss,左(图片由Joe Howell摄制);Shuren Hu,右

为了测量结构内的模式分布,该团队使用了近场扫描光学显微镜(NSOM)。腔体整体上具有Q = 105的品质因数,这是一个能够与光子晶体相当的值,同时腔体具有比其他光子晶体小两个数量级的模式体积,这个体积能够与等离子体对应物相当。该团队预测:“这种前所未有的光—物质强相互作用平台可以促进这类科学理论在各种应用中的进步,包括低功率光电子学、非线性光学和量子光学。”

从理论开始

论文的第一作者Shuren Hu,现在是Global Foundries硅光子学的首席工程师,他讲述了一些关于这项工作的背后历程:“当我回顾这个研究项目的时候,觉得这是一个非常漫长的过程,尤其是实验部分。当Weiss教授和我第一次提交理论论文的时候,我们得到了非常复杂的反馈。有些评审员非常感兴趣,有些人则对我们这种设计的可行性表示怀疑。得益于团队做出的工作,我们才能够制造出这种具有<10nm领结形定义尖端的光子晶体,然后成功地对其进行表征。我想向我们杰出的合作者和共同作者表示感谢:Marwan Khater和Will Green在IBM硅光子学小组工作,Ernst Kratschmer和Sebastian Engelmann则在IBM材料研究实验室,他们共同提出了制造具有高均匀性和V型槽深度调制的结形光子晶体结构等几个创新思路,而来自特鲁瓦工程技术大学的Rafael Salas-Montiel在使用近场扫描光学显微镜(NSOM)表征结构内的光学模式分布方面做了非常出色的工作。”

他表示还将会与Weiss一起继续通过新的国家科学基金会资助这个项目,同时他们欢迎新的合作,以进一步推进他们领结形光子晶体的科学研究和应用。

原文链接

 

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