Halvledarkaviteter

Halvledarkaviteter är optiska kavitetssystem som byggs av eller integreras i halvledarmaterial och avser att begränsa och kontrollera ljus vid optiska frekvenser. Genom att konstruera strukturer med högreflekterande gränssnitt och noggrant utformad optisk resonans kan ljuset hållas i mycket små volymer under längre tid, vilket förstärker ljus-materiell interaktion i system som kvantprickar eller excitoner.

Vanliga typer inkluderar mikro- och nanokaviteter som mikrodiska resonatorer, mikroringar, fotoniska kristallkaviteter och DBR-baserade kavitetssystem. De tillverkas i III-V-material som GaAs eller InP eller i kiselbaserade plattformar för integrerad fotonik. När ett exciton eller en kvantnivå närvarar kan kaviteten öka emissionen via Purcell-effekten, och i stark koppling kan exciton–foton-system bilda polaritoner.

Nyckelparametrar är kvalitetsfaktorn Q, som beskriver hur länge ljuset stannar i kaviteten, och modevolymen Vm, som påverkar styrkan i ljus-materiell interaktion. Purcell-faktorn beskriver förstärkningen av spontan emission. I stark koppling mellan exciton och foton kan polaritoniska tillstånd uppstå och ge nya dynamiska egenskaper.

Tillverkning sker vanligtvis genom epitaxi (MBE eller MOCVD) för att skapa högkvalitativa skikt, följt av nanofabrikation med litografi och etsning för att definiera kaviteternas geometri. Temperaturkänslighet och variationskällor i dimensioner är centrala utmaningar, eftersom små avvikelser flyttar resonanserna.

Halvledarkaviteter är centrala i modern fotonik och kvantteknik, med tillämpningar inom lasersystem (till exempel VCSELs), enkelskotskällor för kvantkommunikation, integrerade fotoniska kretsar och sensorteknik.