[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出基于外延生长的III-V族半导体纳米谐振器的全介质超材料，利用其高非线性极化率及增益介质的单片集成特性。通过选择性湿氧化在GaAs中形成低折射率AlGaO包覆层，作者展示了多层阵列在宽带范围内接近100%的反射率，实现了具有增强功能的无源、有源及非线性全介质器件。

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

研究动机与目标

• 开发基于III-V族半导体的全介质超材料，以克服硅基系统的局限性。
• 利用III-V族材料固有的高二阶光学极化率，以增强非线性光学响应。
• 在介质谐振器结构中实现有源或增益介质的单片集成，以实现可调谐和功能化的器件。
• 在多层III-V族介质谐振器阵列中实现宽带高反射率行为。
• 建立一种可扩展的制造工艺，通过选择性湿氧化形成类似绝缘体上硅（SOI）平台的低折射率包覆层。

提出的方法

• 采用选择性湿氧化工艺制备GaAs纳米谐振器，形成低折射率AlGaO埋底层（n ≈ 1.6），模拟绝缘体上硅（SOI）结构。
• 利用外延生长的III-V族异质结构，实现对材料组分和光学性能的精确控制。
• 设计并制备多层III-V族介质谐振器阵列，以实现增强的波前调控和宽带光学响应。
• 采用标准III-V族外延生长与刻蚀技术，确保与现有半导体工艺的兼容性。
• 在宽光谱范围内实验表征反射率，以验证全介质行为。
• 利用III-V族材料的高非线性极化率，实现在谐振器结构中的高效非线性光学转换。

实验结果

研究问题

• RQ1 III-V族半导体纳米谐振器能否被设计为低损耗、高效率的全介质超材料？
• RQ2 III-V族材料的高二阶光学极化率在基于介质谐振器的超材料中能被多大程度地利用？
• RQ3 能否在全介质III-V族谐振器阵列中实现有源或增益介质的单片集成？
• RQ4 多层III-V族介质谐振器阵列的可实现反射率带宽和幅度是多少？
• RQ5 能否通过AlGaAs的选择性湿氧化可靠地形成用于III-V族平台中光限制的低折射率包覆层？

主要发现

• 作者成功利用选择性湿氧化工艺在GaAs中制备了纳米谐振器，形成折射率n ≈ 1.6的低折射率AlGaO埋底层，实现了介质限制。
• 实验测量显示，III-V族介质谐振器的多层阵列在宽光谱范围内反射率接近100%。
• 所制备的结构表现出各向同性的光学响应和低本征损耗，符合全介质超材料的特征。
• 该平台可有效利用III-V族半导体的高二阶光学极化率，用于非线性光学应用。
• 有源或增益介质可在同一III-V族外延结构中实现单片集成，从而实现有源器件功能。
• 该制造工艺具有可扩展性，并与标准III-V族半导体工艺兼容，支持未来器件的集成。