研究人员将经过设计的半导体层与超表面相结合，以增强非线性光转换。
研究人员开发出一种微型半导体器件，它能比传统设计高效得多地改变光的频率（即颜色），有望缩小电信和量子技术中所用元件的尺寸。
该器件将经过特殊设计的半导体层与纳米级超表面结合在一起。两者共同作用，将光聚集并控制在材料内部，所产生的有效非线性光学响应比未图案化晶圆高出最多三个数量级。
这项研究解决了光子学中长期存在的问题。频率转换可以将一种颜色的光转换为另一种颜色，但传统系统通常依赖铌酸锂或砷化镓等材料，难以实现小型化和可扩展性。
研究人员则同时对材料和光学结构进行设计。这使他们能够控制半导体的电子特性、电磁场以及器件几何结构，从而改善特定波长下的光转换。
在纳米尺度上调控光
该团队用砷化镓和铝镓砷构建半导体，将材料排列成被称为多量子阱的超薄层。这些层经过设计，可形成增强光与物质相互作用的电子能级。
随后，研究人员在表面添加了一组微小的纳米柱阵列。由此形成的超表面在半导体内部塑造并集中电磁场，从而提高了与材料相互作用的光强度。
纳米柱还能控制电磁场的对称性。这一点很重要，因为某些光学相互作用否则可能会相互抵消。
经过设计的多量子阱与超表面共同作用，产生了比未图案化晶圆高出三个数量级的非线性响应。研究人员在近红外波段展示了这一效应，而该波段对光纤通信十分重要。
“这项工作创造性地将底层材料的量子工程及其非线性增强与优化的超表面设计结合在一起，”卡帕索说。“整体非线性响应得到大幅增强，并可用于自由空间光学。”
更小的元件，更广泛的用途
这种方法可以在保持高效光转换的同时，使频率转换器件小得多。这类元件可以产生激光难以直接产生的波长。
该技术也可用于光子量子系统。研究人员指出潜在应用包括用于量子通信和计算的纠缠光子对光源。
另一个优势在于，该平台使用化合物半导体材料和平面纳米制造工艺，与现有半导体制造工艺兼容。这可能使该方法更容易集成到紧凑型光子器件中。
德克萨斯大学奥斯汀分校的合作者开发了多量子阱材料，哈佛大学的研究人员则设计了超表面及结构内的电磁场。
“这一初步演示为纳米光子学与材料科学交叉领域开展更多工作打开了大门，”卡帕索实验室博士生、论文第一作者佩妮尔·乌德鲁姆·法蒂说。
这项研究由哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院、德克萨斯大学奥斯汀分校和加州大学欧文分校合作完成。
该研究发表在《自然·纳米技术》上。
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