Медленный свет в двумерной полупроводниковой плазмонной структуре (начало)

Аннотация

Спектрально узкие оптические резонансы можно использовать для генерации медленного света, т. е. сильного уменьшения групповой скорости. Были разработаны гибридные двумерные полупроводниковые плазмонные структуры, которые состоят из поверхностных плазмон−поляритонов оптической частоты, взаимодействующих с экситонами в полупроводниковом монослое. В данной работе используются связанные экситон−поверхностные плазмонные поляритоны (Э−ППП) в монослое WSe₂, чтобы продемонстрировать медленный свет с 1300−кратным уменьшением групповой скорости ППП. В частности, применяется двухцветный лазерный метод высокого разрешения, в котором нелинейный отклик Э−ППП вызывает сверхузкие резонансы когерентных колебаний населенности (ККН), что приводит к групповой скорости порядка 10⁵ м/с.

Введение

Когерентное колебание населенности (ККН) использовалось в атомарных парах и полупроводниковых структурах с квантовыми ямами III–V для сужения спектрального диапазона показателя преломления среды, что приводило к замедлению света. ККН возникают ввиду интерференции двух управляющих полей (лазеров), действующих на оптический переход, что приводит к модуляции возбужденного и основного состояний на оптической разностной частоте между полями накачки и зондирования.

Спектральная ширина ККН−резонанса в двухуровневой системе определяется длительностью возбужденного состояния. В полупроводниковой системе, такой как монослой дихалькогенида переходного металла (ДПМ), спектральная ширина резонанса ККН обычно определяется состоянием с наибольшей продолжительностью, связанной с оптическим переходом, который может быть на порядок больше длительности (более узкая ширина линии), чем время дефазировки экситона. Монослойные полупроводники ДПМ содержат экситоны, сильно взаимодействующие со светом. В течение последнего десятилетия они интенсивно исследовались, что привело к появлению оптоэлектронных и плазмонных устройств на атомарно тонких элементах. Атомарно−тонкая природа ограничивает их применение оптическими эффектами распространения, такими как медленный свет, поскольку в типичной конфигурации вектор распространения перпендикулярен двумерному (2D) слою, что приводит к практически нулевой (0.7 нм) длине взаимодействия. Чтобы преодолеть это ограничение, используется плазмонная структура гибридного двумерного материала, состоящая из гексагонального монослоя WSe₂, инкапсулированного нитридом бора (hBN), перенесенного поверх металлического волновода, который поддерживает распространение поверхностных плазмонных поляритонов (ППП) вдоль слоя.

Недавние измерения двумерных полупроводниковых плазмонных структур продемонстрировали связь с темным (внеплоскостным) экситоном, электрически перестраиваемую экситон−плазмонную связь и нелинейную плазмонную модуляцию. Следует подчеркнуть, что Э−ППП представляет собой гибридную моду, связывающую 2D−экситоны с распространяющимися ППП на относительно большой (несколько микрон) длине взаимодействия. Приведенная в данной работе конструкция структуры состоит из инкапсулированного hBN монослоя WSe₂, перенесенного поверх оптически толстого волновода из золота в форме «креста» с входными и выходными решетчатыми ответвителями, обеспечивающими эффективную связь (~ 10% на ответвитель) между фотонами в свободном пространстве и ППП (см. «Методы»). В данной работе используется «крестовой» волновод, поскольку он позволяет управлять направлениями распространения ППП накачки и зондирования. Необходимо отметить, что ППП имеют как внеплоскостную, так и внутриплоскостную поляризационную составляющую, т.е.  для ППП, распространяющихся вдоль оси x, для ППП, распространяющихся вдоль оси y,

где k_SPP – волновой вектор ППП, а ω – угловая частота. Исследуется нелинейный отклик яркого экситона WSe₂, оптический диполь которого находится в плоскости и, следовательно, связан с компонентами «x» и «y» ППП. 

Методы

Оптические измерения

Гибридные hBN−WSe₂−hBN/плазмонные структуры измеряли при 4.5 K (−269.15 °C) в оптическом криостате (производства компании Montana Instruments) с замкнутым циклом для уменьшения эффектов теплового расширения и усиления нелинейного отклика. Измерения были выполнены с использованием перестраиваемых непрерывных титан−сапфировых лазеров (производства компании MSquared SolsTiS). Лазеры фокусировались в точку на требуемый входной решетчатый ответвитель. Свет, рассеянный от ответвителя выходной решетки зонда, отделялся пространственным фильтром и детектировался кремниевым фотодиодом. При измерениях линейного пропускания зондирующий лазер модулировался для синхронного обнаружения. В измерениях нелинейной спектроскопии лучи накачки и зондирующие лучи модулировались на разных частотах около 500 кГц, чтобы обеспечить синхронное обнаружение на разностной частоте модуляции. Благодаря данному методу можно напрямую измерять одну четвертую часть общего нелинейного отклика, на которую делается поправка. При измерениях с высоким разрешением зондирующий лазер точно сканировал, сохраняя синхронизацию с эталонным резонатором.

При измерении фазовой задержки сигнал зондирования был разделен на опорный и зондирующий лучи. Траектория опорного луча включает зеркало на PZT для управления относительной фазой (ϕ_MZ) между зондом и эталоном. Зондирующий пучок проходил через волноводную структуру, а опорный пучок отражался от отдельной золотой подложки. Сигнал помех измерялся с обоих выходов MZI с помощью синхронного усилителя, вычитающего сигналы D1 и D2. Чтобы установить ϕ_MZ таким образом, чтобы функцию косинуса уравнения 1 можно было аппроксимировать его аргументом, на PZT подавалось такое напряжение, что при нулевой расстройке между энергиями накачки и зондирования измеренный сигнал D1 − D2 был равен нулю. Затем были получены спектры расстройки, как описано выше, для измерений с высоким разрешением.

Конструкция устройства

Золотой волновод был изготовлен на SiO₂/Si толщиной 285 нм с использованием многоэтапного процесса литографии и травления. Подложка формована с фоторезистом S1813, экспонирована с использованием системы безмасочной фотолитографии и проявлена с использованием MF−319. После этапа фотолитографии золото толщиной 200 нм было термически напылено на подложку с использованием прилипающего слоя титана толщиной 10 нм. На втором этапе литографии поли(метилметакрилат) формовали, решетку записывали и проявляли с помощью электронно−лучевой литографии. Был использован процесс травления реактивными ионами на основе аргона для травления решетчатых ответвителей в волновод. Плечи волновода имеют размеры 5 мкм × 5.5 мкм с центральной областью 5 мкм × 5 мкм. Ответвители решетки состоят из 5 канавок глубиной 60 нм, шириной 110 нм и длиной 570 нм. Неизолированный волновод был измерен с помощью атомно−силовой микроскопии и оптической спектроскопии. Конструкции волновода и решетчатого ответвителя были оптимизированы с использованием конечно−разностной модели во временной области (Люмерической). Двумерные материалы были получены путем микромеханического расслоения объемных кристаллов. Двумерная гетероструктура изготовлена и перенесена на волновод с использованием полимерных технологий.

Существует несколько возможностей увеличения величины эффекта замедления в двумерных полупроводниковых плазмонных структурах. Нелинейный отклик Э−ППП также может быть улучшен за счет выбора материалов, чей экситонный резонанс ближе к резонансу ППП, или путем использования многослойных ДПМ структур, разделенных hBN, что, как следствие, может на порядки увеличить коэффициент замедления. Существует также несколько решений для улучшения общего качества устройства за счет увеличения пропускания волновода, например, с помощью направленных решетчатых ответвителей, которые могут увеличить общую передачу более чем до 80%. Работа демонстрирует потенциальные применения ДПМ−плазмонных структур, которые требуют управления групповой скоростью света.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности
по поставке оборудования на территории РФ