Schéma du réseau InAs en contact avec un réseau de nanoantennes qui courbe la lumière entrante afin qu’elle soit étroitement confinée autour de la surface peu profonde du semi-conducteur. Le champ électrique géant créé à travers la surface du semi-conducteur accélère les électrons photo-excités, qui déchargent ensuite l’énergie supplémentaire qu’ils ont gagnée en la rayonnant à différentes longueurs d’onde optiques. Crédit : Deniz Turan/UCLA
Les ingénieurs électriciens de l’UCLA Samueli School of Engineering ont développé un moyen plus efficace de convertir la lumière d’une longueur d’onde à une autre, ouvrant la porte à des améliorations des performances des systèmes d’imagerie, de détection et de communication.
Mona Jarrahi, professeur de génie électrique et informatique à l’UCLA Samueli, a dirigé le Communication Nature-recherche publiée.
Trouver un moyen efficace de convertir les longueurs d’onde de la lumière est crucial pour l’amélioration de nombreuses technologies d’imagerie et de détection. Par exemple, la conversion de la lumière entrante en longueurs d’onde térahertz permet l’imagerie et la détection dans des environnements optiquement opaques. Cependant, les cadres de conversion précédents étaient inefficaces et nécessitaient des configurations optiques volumineuses et complexes.
L’équipe dirigée par l’UCLA a conçu une solution pour améliorer l’efficacité de la conversion de longueur d’onde en explorant un phénomène généralement indésirable mais naturel appelé états de surface des semi-conducteurs.
Les états de surface se produisent lorsque les atomes de surface ont un nombre insuffisant d’autres atomes auxquels se lier, provoquant une rupture de la structure atomique. Ces liaisons chimiques incomplètes, également connues sous le nom de « liaisons pendantes », causent des obstacles pour les charges électriques circulant dans les dispositifs à semi-conducteurs et affectent leurs performances.
“De nombreux efforts ont été déployés pour supprimer l’effet des états de surface dans les dispositifs à semi-conducteurs sans se rendre compte qu’ils ont des propriétés électrochimiques uniques qui pourraient permettre des fonctionnalités de dispositif sans précédent”, a déclaré Jarrahi, qui dirige le laboratoire d’électronique Terahertz de l’UCLA.
Photographie, microscopie et images de microscopie électronique à balayage d’un réseau de nanoantennes fabriqué placé à l’extrémité d’une fibre pour la conversion de longueur d’onde optique en térahertz. Crédit : Deniz Turan/UCLA
En fait, étant donné que ces liaisons incomplètes créent un champ électrique intégré peu profond mais géant à travers la surface du semi-conducteur, les chercheurs ont décidé de tirer parti des états de surface pour une meilleure conversion de longueur d’onde.
La lumière entrante peut frapper les électrons dans le réseau semi-conducteur et les déplacer vers un état d’énergie plus élevé, auquel cas ils sont libres de sauter dans le réseau. Le champ électrique créé à travers la surface du semi-conducteur accélère encore ces électrons photo-excités à haute énergie, qui déchargent ensuite l’énergie supplémentaire qu’ils ont gagnée en la rayonnant à différentes longueurs d’onde optiques, convertissant ainsi les longueurs d’onde.
Cependant, cet échange d’énergie ne peut se produire qu’à la surface d’un semi-conducteur et doit être plus efficace. Afin de résoudre ce problème, l’équipe a incorporé un réseau de nanoantennes qui courbe la lumière entrante afin qu’elle soit étroitement confinée autour de la surface peu profonde du semi-conducteur.
“Grâce à ce nouveau cadre, la conversion de longueur d’onde se produit facilement et sans aucune source d’énergie supplémentaire supplémentaire lorsque la lumière entrante traverse le champ”, a déclaré Deniz Turan, auteur principal de l’étude et membre du laboratoire de recherche de Jarrahi qui a récemment obtenu son doctorat en électricité. ingénierie de l’UCLA Samueli.
Les chercheurs ont converti avec succès et efficacité un faisceau lumineux de longueur d’onde de 1 550 nanomètres dans la partie térahertz du spectre, allant de longueurs d’onde de 100 micromètres à 1 millimètre. L’équipe a démontré l’efficacité de la conversion de longueur d’onde en incorporant la nouvelle technologie dans une sonde d’endoscopie qui pourrait être utilisée pour une imagerie et une spectroscopie in vivo détaillées utilisant des ondes térahertz.
Sans cette percée dans la conversion de longueur d’onde, il aurait fallu 100 fois le niveau de puissance optique pour obtenir les mêmes ondes térahertz, que les fibres optiques minces utilisées dans la sonde d’endoscopie ne peuvent supporter. L’avancée peut s’appliquer à la conversion de longueur d’onde optique dans d’autres parties du spectre électromagnétique, allant des micro-ondes aux longueurs d’onde de l’infrarouge lointain.
Référence : « Wavelength conversion through plasmon-coupled surface states » par Deniz Turan, Ping Keng Lu, Nezih T. Yardimci, Zhaoyu Liu, Liang Luo, Joong-Mok Park, Uttam Nandi, Jigang Wang, Sascha Preu et Mona Jarrahi, 30 juillet 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-24957-1
Deux autres membres du groupe de recherche de Jarrahi, Ping Keng Lu et Nezih Yardimci, sont co-auteurs de l’étude. Les autres co-auteurs proviennent de l’Université technique de Darmstadt en Allemagne et du laboratoire Ames, un laboratoire du Département américain de l’énergie (DOE) affilié à l’Iowa State University.
L’Office of Naval Research a soutenu la recherche et le DOE a accordé une subvention à Turan.
