[論文レビュー] III-V semiconductor nano-resonators-a new strategy for passive, active, and nonlinear all-dielectric metamaterials

Sheng Liu, Gordon A. Keeler+3 more|ArXiv.org|May 1, 2016

Photonic and Optical Devices被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、高い非線形感受率とゲイン媒体のモノリシック統合を活用して、エpitaxial III-V半導体ナノレゾネーターに基づく全誘電体メタマテリアルを提案している。GaAsにおける選択的湿式酸化を用いてAlGaOクラッド層（低屈折率）を形成することで、多層構造で広帯域かつほぼ100％の反射率を実現し、被動的・能動的・非線形的全誘電体デバイスの機能強化を可能にした。

ABSTRACT

Metamaterials comprising assemblies of dielectric resonators have attracted much attention due to their low intrinsic loss and isotropic optical response. In particular, metasurfaces made from silicon dielectric resonators have shown desirable behaviors such as efficient nonlinear optical conversion, spectral filtering and advanced wave-front engineering. To further explore the potential of dielectric metamaterials, we present all-dielectric metamaterials fabricated from epitaxially grown III-V semiconductors that can exploit the high second-order optical susceptibilities of III-V semiconductors, as well as the ease of monolithically integrating active/gain media. Specifically, we create GaAs nano-resonators using a selective wet oxidation process that forms a low refractive index AlGaO (n~1.6) under layer similar to silicon dielectric resonators formed using silicon-on-insulator wafers. We further use the same fabrication processes to demonstrate multilayer III-V dielectric resonator arrays that provide us with new degrees of freedom in device engineering. For these arrays, we experimentally measure ~100% reflectivity over a broad spectral range. We envision that all-dielectric III-V semiconductor metamaterials will open up new avenues for passive, active and nonlinear all dielectric metamaterials

研究の動機と目的

• シリコンベースのシステムの制限を克服するため、III-V半導体を用いた全誘電体メタマテリアルの開発を目的とする。
• III-V材料に固有の高い二階光学感受率を活用し、非線形光学応答を強化することを目的とする。
• 能動的またはゲイン媒体を誘電レゾネーター構造内にモノリシック統合することで、チューナブルで機能的なデバイスを実現することを目的とする。
• 多層III-V誘電レゾネーター配列で広帯域かつ高反射率の挙動を実証することを目的とする。
• Si-on-insulatorプラットフォームに類似した低屈折率クラッド層を形成するための選択的湿式酸化を用いたスケーラブルなプロセスを確立することを目的とする。

提案手法

• GaAsナノレゾネーターの作製に、低屈折率AlGaOアンダーレイヤー（n ≈ 1.6）を形成するための選択的湿式酸化プロセスを用い、Si-on-insulator（SOI）構造を模倣した。
• エpitaxial III-Vヘテロ構造を用いることで、材料組成および光学的特性の精密な制御を可能にした。
• 波front制御の強化と広帯域光学応答の実現を目的に、III-V誘電レゾネーターの多層アレイを設計・作製した。
• 既存の半導体プロセスと互換性を持つため、標準的なIII-Vエpitaxial成長およびエッチング技術を採用した。
• 全誘電体的挙動の妥当性を検証するため、広い波長範囲にわたる反射率の実験的測定を実施した。
• III-V材料の高い非線形感受率を活用し、レゾネーター構造内で効率的な非線形光変換を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 III-V半導体ナノレゾネーターは、低損失かつ高効率な全誘電体メタマテリアルとして設計可能だろうか？
• RQ2 III-V材料に内在する高い二階光学感受率は、誘電レゾネーターに基づくメタマテリアルでどの程度活用可能だろうか？
• RQ3 能動的またはゲイン媒体を、全誘電体III-Vレゾネーター配列内にモノリシック統合可能だろうか？
• RQ4 多層III-V誘電レゾネーター配列で達成可能な反射率帯域幅と反射率の大きさはどの程度だろうか？
• RQ5 AlGaAsの選択的湿式酸化を用いて、III-Vプラットフォームにおける誘電的閉じ込めに適した低屈折率クラッド層を信頼性高く形成できるだろうか？

主な発見

• 著者らは、選択的湿式酸化を用いて、n ≈ 1.6の低屈折率AlGaOアンダーレイヤーを形成することで、GaAsナノレゾネーターを成功裏に作製し、誘電的閉じ込めを実現した。
• III-V誘電レゾネーターの多層アレイは、広帯域にわたり実測でほぼ100％の反射率を示した。
• 作製された構造は、等方的な光学応答と低固有損失を示し、全誘電体メタマテリアルの特徴に合致している。
• 本プラットフォームにより、III-V半導体の高い二階光学感受率を非線形光学応用に活用できるようになった。
• 同じIII-Vエpitaxial構造内に能動的またはゲイン媒体をモノリシック統合可能であり、能動的デバイス機能を実現できる。
• プロセスはスケーラブルであり、標準的なIII-V半導体プロセスと互換性があるため、将来的なデバイス統合を支援する。