[논문 리뷰] III-V semiconductor nano-resonators-a new strategy for passive, active, and nonlinear all-dielectric metamaterials

Sheng Liu, Gordon A. Keeler외 3명|ArXiv.org|2016. 05. 01.

Photonic and Optical Devices인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 에pitaxial III-V 반도체 나노공진기 기반의 전체 유전체 메타물질을 제안하며, 높은 비선형 감도와 증폭 매체의 단일 구조 통합을 활용한다. GaAs에서 선택적 습식 산화를 통해 AlGaO 코팅층(낮은 굴절률)을 형성함으로써, 다층 배열에서 광역 범위의 거의 100% 반사율을 달성함을 입증하였다. 이는 수동, 능동 및 비선형 전체 유전체 장치의 향상된 功能을 가능하게 한다.

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

연구 동기 및 목표

• 실리콘 기반 시스템의 한계를 극복하기 위해 III-V 반도체를 이용한 전체 유전체 메타물질을 개발하는 것.
• III-V 재료에 내재된 높은 이阶 비선형 광학 감도를 활용하여 비선형 광학 반응을 향상시키는 것.
• 활성 또는 증폭 매체를 유전체 공진기 구조 내에 단일 구조로 통합하여 조절 가능하고 功能적인 장치를 실현하는 것.
• 다층 III-V 유전체 공진기 배열에서 광역 범위의 고반사율 행동을 입증하는 것.
• 실리콘 온 인슐레이터 플랫폼에 유사한 낮은 굴절률 코팅층을 형성하기 위해 선택적 습식 산화를 이용한 확장 가능한 제조 경로를 확립하는 것.

제안 방법

• GaAs 나노공진기를 제조하기 위해 선택적 습식 산화 공정을 사용하여 낮은 굴절률의 AlGaO 기저층(n ≈ 1.6)을 형성함으로써 실리콘 온 인슐레이터(SOI)와 유사한 구조를 모방하는 것.
• 정밀한 재료 조성 및 광학적 특성 제어를 가능하게 하기 위해 에pitaxial III-V 이종구조를 사용하는 것.
• 파동면 제어 향상과 광역 범위의 광학적 반응을 달성하기 위해 III-V 유전체 공진기의 다층 배열을 설계 및 제조하는 것.
• 기존 반도체 공정과의 호환성을 확보하기 위해 표준 III-V 에pitaxial 성장 및 에칭 기법을 사용하는 것.
• 모든 유전체 행동을 검증하기 위해 광역 스펙트럼 범위에서 반사율을 실험적으로 특성화하는 것.
• III-V 재료의 높은 비선형 감도를 활용하여 공진기 구조 내에서 효율적인 비선형 광학 변환을 실현하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 III-V 반도체 나노공진기를 저손실 및 고효율을 갖는 전체 유전체 메타물질로 설계할 수 있는가?
• RQ2 III-V 재료가 지닌 높은 이阶 광학 감도가 유전체 공진기 기반 메타물질에서 얼마나 효과적으로 활용될 수 있는가?
• RQ3 활성 또는 증폭 매체가 전체 유전체 III-V 공진기 배열 내에 단일 구조로 통합될 수 있는가?
• RQ4 다층 III-V 유전체 공진기 배열에서 달성 가능한 반사율 대역폭과 크기는 어느 정도인가?
• RQ5 AlGaAs의 선택적 습식 산화를 통해 III-V 플랫폼에서 유전체 봉쇄를 위한 신뢰성 있는 낮은 굴절률 코팅층을 형성할 수 있는가?

주요 결과

• 저자는 선택적 습식 산화를 통해 GaAs 나노공진기를 성공적으로 제조하여 굴절률 n ≈ 1.6인 낮은 굴절률의 AlGaO 기저층을 형성함으로써 유전체 봉쇄를 실현하였다.
• III-V 유전체 공진기의 다층 배열은 실험적으로 광역 범위에서 거의 100%에 가까운 반사율을 나타내었다.
• 제조된 구조물은 등방성 광학 반응과 낮은 내재 손실을 보이며, 전체 유전체 메타물질의 특징을 갖는다.
• 이 플랫폼은 III-V 반도체의 높은 이阶 광학 감도를 비선형 광학에 활용할 수 있도록 한다.
• 활성 또는 증폭 매체의 단일 구조 통합은 동일한 III-V 에pitaxial 구조 내에서 실현 가능하며, 이는 능동 장치 기능을 가능하게 한다.
• 제조 공정은 확장 가능하며 표준 III-V 반도체 공정과 호환되어 향후 장치 통합을 지원한다.