Elektrotechnici van de UCLA Samueli School of Engineering hebben een efficiëntere manier ontwikkeld om licht van de ene golflengte naar de andere om te zetten, de deur openen voor verbeteringen in de prestaties van beeldvorming, detectie- en communicatiesystemen.

Mona Jarrahi, hoogleraar elektrische en computertechniek aan UCLA Samueli, leidde de Natuurcommunicatie - gepubliceerd onderzoek.

Het vinden van een efficiënte manier om golflengten van licht om te zetten is cruciaal voor de verbetering van veel beeldvormings- en detectietechnologieën. Bijvoorbeeld, het omzetten van binnenkomend licht in terahertz-golflengten maakt beeldvorming en detectie mogelijk in optisch ondoorzichtige omgevingen. Echter, eerdere conversiekaders waren inefficiënt en vereisten omvangrijke en complexe optische opstellingen.

Het door de UCLA geleide team heeft een oplossing bedacht om de efficiëntie van de golflengteconversie te verbeteren door een algemeen ongewenst maar natuurlijk fenomeen te onderzoeken dat halfgeleideroppervlakken wordt genoemd.

Oppervlaktetoestanden treden op wanneer oppervlakte-atomen een onvoldoende aantal andere atomen hebben om aan te binden, waardoor een storing in de atomaire structuur ontstaat. Deze onvolledige chemische bindingen, ook bekend als "bungelende banden, " wegversperringen veroorzaken voor elektrische ladingen die door halfgeleiderapparaten stromen en hun prestaties beïnvloeden.

"Er zijn veel pogingen gedaan om het effect van oppervlaktetoestanden in halfgeleiderapparaten te onderdrukken zonder te beseffen dat ze unieke elektrochemische eigenschappen hebben die ongekende apparaatfunctionaliteiten mogelijk zouden kunnen maken, " zei Jarrahi, die het UCLA Terahertz Electronics Laboratory leidt.

In feite, aangezien deze onvolledige bindingen een ondiep maar gigantisch ingebouwd elektrisch veld creëren over het halfgeleideroppervlak, de onderzoekers besloten gebruik te maken van oppervlaktetoestanden voor een verbeterde golflengteconversie.

Invallend licht kan de elektronen in het halfgeleiderrooster raken en ze naar een hogere energietoestand brengen, op dat moment zijn ze vrij om rond te springen binnen het rooster. Het elektrische veld dat over het oppervlak van de halfgeleider wordt gecreëerd, versnelt deze foto-opgewonden, hoge energie elektronen, die vervolgens de extra energie ontladen die ze hebben gewonnen door het op verschillende optische golflengten uit te stralen, waardoor de golflengten worden omgezet.

Echter, deze energie-uitwisseling kan alleen plaatsvinden aan het oppervlak van een halfgeleider en moet efficiënter. Om dit probleem op te lossen, het team heeft een nanoantenne-array ingebouwd die inkomend licht buigt, zodat het strak is opgesloten rond het ondiepe oppervlak van de halfgeleider.

"Door dit nieuwe kader, golflengteconversie gebeurt gemakkelijk en zonder extra toegevoegde energiebron als het binnenkomende licht het veld kruist, " zei Deniz Turan, de hoofdauteur van de studie en een lid van Jarrahi's onderzoekslaboratorium die onlangs is afgestudeerd met zijn doctoraat in elektrotechniek aan de UCLA Samueli.

De onderzoekers hebben met succes en efficiënt een 1, 550 nanometer golflengte lichtstraal in het terahertz deel van het spectrum, variërend van golflengten van 100 micrometer tot 1 millimeter. Het team demonstreerde de efficiëntie van de golflengteconversie door de nieuwe technologie op te nemen in een endoscopiesonde die kan worden gebruikt voor gedetailleerde in vivo beeldvorming en spectroscopie met behulp van terahertz-golven.

Zonder deze doorbraak in golflengteconversie, het zou 100 keer het optische vermogensniveau nodig hebben om dezelfde terahertz-golven te bereiken, die de dunne optische vezels die in de endoscopiesonde worden gebruikt, niet kunnen ondersteunen. De vooruitgang kan van toepassing zijn op optische golflengteconversie in andere delen van het elektromagnetische spectrum, variërend van microgolf tot ver-infrarood golflengten.