Высокоэффективные источники излучения для кремниевой оптоэлектроники и нанофотоники

Новый подход к увеличению эффективности источников излучения на кремнии предложен российскими учёными, 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 её передачи.

Коллектив авторов, в который вошли учёные из Института физики микроструктур РАН – филиала ИПФ РАН, Нижегородского государственного университета, Сколтеха, университета ИТМО, МГУ и ИОФ РАН, 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 проведён детальный теоретический анализ собственных мод фотонного кристалла с гексагональной решёткой 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).