Новый подход к увеличению эффективности
источников излучения на кремнии предложен российскими учеными, объединившими
свои усилия для решения этой актуальной задачи. В настоящее время компактные
эффективные источники излучения востребованы в различных областях современной
фотоники. Но особенно остро в них нуждается кремниевая оптоэлектроника и
нанофотоника. Кремний уже более 50 лет является основным материалом для интегральной
электроники. Но его использованию в качестве источника излучения препятствует
непрямой характер строения его энергетических зон. В тоже время создание на
кремнии источников излучения позволило бы объединить достоинства интегральных
электронных схем обработки информации и быстродействующих оптоволоконных линий
ее передачи.
Коллектив авторов, в который вошли ученые из
Института физики микроструктур РАН -
филиала ИПФ РАН, Нижегородского государственного университета, Сколтеха, ИОФ
РАН, университетов ИТМО и МГУ, предложил для создания источников излучения на
кремнии использовать высокодобротные состояния электромагнитного поля в
двумерных фотонных кристаллах. Несмотря на то, что такие состояния находятся в
непрерывном спектре (континууме), они характеризуются низкими радиационными
потерями. В физике эти состояния получили отдельное название - связанные состояния в континууме или
«bound states in the continuum» (BIC). Несмотря на то, что BIC были впервые предсказаны в квантовой
механике около века назад, обнаружение и активное их изучение в оптике началось
только в последнее десятилетие. Пристальное внимание, уделяемое BIC в оптике,
объясняется множеством их потенциальных применений.
Авторами работы впервые проведен детальный
теоретический анализ собственных мод фотонного кристалла с гексагональной
решеткой типа пчелиных сот, который позволил выделить высокодобротные BICs моды. Они также экспериментально показали, что
взаимодействие излучения германиевых квантовых точек, сформированных на кремнии,
с BICs состояниями приводит к росту максимальной
интенсивности сигнала люминесценции квантовых точек более чем в 100 раз, а
интегральной интенсивности, более чем в 10 раз.
Предложенный авторами подход, основанный
на использовании высокодобротных мод фотонных кристаллов с гексагональной
симметрией, открывает новые возможности для создания компактных, эффективных источников
излучения, в том числе тех, технология формирования которых совместима с
кремниевой интегральной технологией. Такие источники излучения найдут широкое применение
в оптоэлектронике, различных биологических приложениях, оптических сенсорах
химических элементов и т.д. В ближайших планах команды авторов - реализация электрической накачки структур
с германиевыми квантовыми точками, встроенных в фотонные кристаллы.
Результат опубликован в статье «Photonic bound states in the continuum in Si structures
with the self-assembled Ge nanoislands» в журнале Laser&Photoncs Reviews (импакт-фактор в Web of Science - 10,6).
Коллектив
авторов:
Дьяков
С.А. и Гиппиус Н.А. (Сколтех); Новиков А.В. и Красильник З.Ф. (ИФМ РАН и ННГУ);
Степихова М.В., Юрасов Д.В и Шалеев М.В. (ИФМ РАН); Богданов А.А. (университет
ИТМО); Тиходеев С.Г. (МГУ и ИОФ РАН).
