Optické komunikačné pásmo, ultratenký optický rezonátor

Optické komunikačné pásmo, ultratenký optický rezonátor
Optické rezonátory môžu lokalizovať špecifické vlnové dĺžky svetelných vĺn v obmedzenom priestore a majú dôležité aplikácie pri interakcii svetla a hmoty,optická komunikácia, optické snímanie a optická integrácia. Veľkosť rezonátora závisí hlavne od materiálových charakteristík a prevádzkovej vlnovej dĺžky, napríklad kremíkové rezonátory pracujúce v blízkom infračervenom pásme zvyčajne vyžadujú optické štruktúry stoviek nanometrov a viac. V posledných rokoch priťahujú ultratenké planárne optické rezonátory veľkú pozornosť vďaka ich potenciálnym aplikáciám v štrukturálnych farbách, holografickom zobrazovaní, regulácii svetelného poľa a optoelektronických zariadeniach. Ako znížiť hrúbku planárnych rezonátorov je jedným z ťažkých problémov, ktorým čelia výskumníci.
Na rozdiel od tradičných polovodičových materiálov sú 3D topologické izolátory (ako telurid bizmutu, telurid antimónu, selenid bizmutu atď.) novými informačnými materiálmi s topologicky chránenými stavmi povrchu kovu a stavmi izolantu. Povrchový stav je chránený symetriou časovej inverzie a jeho elektróny nie sú rozptýlené nemagnetickými nečistotami, čo má dôležité aplikačné vyhliadky v nízkoenergetických kvantových výpočtoch a spintronických zariadeniach. Súčasne topologické izolačné materiály tiež vykazujú vynikajúce optické vlastnosti, ako je vysoký index lomu, veľké nelineárneoptickékoeficient, široký rozsah pracovného spektra, laditeľnosť, jednoduchá integrácia atď., čo poskytuje novú platformu pre realizáciu regulácie osvetlenia aoptoelektronické zariadenia.
Výskumný tím v Číne navrhol metódu na výrobu ultratenkých optických rezonátorov pomocou nanofilmov topologických izolátorov s veľkou plochou rastúceho teluridu bizmutu. Optická dutina vykazuje zrejmé rezonančné absorpčné charakteristiky v blízkom infračervenom pásme. Telurid bizmutu má veľmi vysoký index lomu viac ako 6 v optickom komunikačnom pásme (vyšší ako index lomu tradičných materiálov s vysokým indexom lomu, ako je kremík a germánium), takže hrúbka optickej dutiny môže dosiahnuť jednu dvadsaťtinu rezonancie. vlnová dĺžka. Súčasne sa optický rezonátor ukladá na jednorozmerný fotonický kryštál a v optickom komunikačnom pásme sa pozoruje nový elektromagneticky indukovaný transparentný efekt, ktorý je spôsobený spojením rezonátora s plazmónom Tamm a jeho deštruktívnou interferenciou. . Spektrálna odozva tohto efektu závisí od hrúbky optického rezonátora a je odolná voči zmene okolitého indexu lomu. Táto práca otvára novú cestu pre realizáciu ultratenkej optickej dutiny, regulácie spektra topologického izolačného materiálu a optoelektronických zariadení.
Ako je znázornené na obr. 1a a 1b, optický rezonátor pozostáva hlavne z topologického izolátora teluridu bizmutu a strieborných nanofilmov. Nanofilmy teluridu bizmutu pripravené magnetrónovým naprašovaním majú veľkú plochu a dobrú rovinnosť. Keď je hrúbka filmu teluridu bizmutu a striebra 42 nm a 30 nm, optická dutina vykazuje silnú rezonančnú absorpciu v pásme 1100 ~ 1800 nm (obrázok 1c). Keď výskumníci integrovali túto optickú dutinu do fotonického kryštálu vyrobeného zo striedajúcich sa vrstiev Ta2O5 (182 nm) a Si02 (260 nm) vrstiev (obrázok 1e), v blízkosti pôvodného rezonančného absorpčného vrcholu sa objavilo zreteľné absorpčné údolie (obrázok 1f) 1550 nm), čo je podobné elektromagneticky indukovanému efektu transparentnosti produkovanému atómovými systémami.

Telurid bizmutu bol charakterizovaný transmisnou elektrónovou mikroskopiou a elipsometriou. Obr. 2a-2c ukazuje transmisné elektrónové mikrofotografie (obrazy s vysokým rozlíšením) a vybrané elektrónové difrakčné obrazce nanofilmov teluridu bizmutu. Z obrázku je vidieť, že pripravené nanofilmy teluridu bizmutu sú polykryštalické materiály a hlavná orientácia rastu je (015) kryštalická rovina. Obrázok 2d-2f ukazuje komplexný index lomu teluridu bizmutu meraný elipsometrom a prispôsobený stav povrchu a stavový komplexný index lomu. Výsledky ukazujú, že extinkčný koeficient povrchového stavu je väčší ako index lomu v rozsahu 230 ~ 1930 nm, čo vykazuje vlastnosti podobné kovu. Index lomu tela je viac ako 6, keď je vlnová dĺžka väčšia ako 1385 nm, čo je oveľa viac ako u kremíka, germánia a iných tradičných materiálov s vysokým indexom lomu v tomto pásme, čo je základ pre prípravu ultra - tenké optické rezonátory. Vedci upozorňujú, že ide o prvú ohlásenú realizáciu topologického izolátoru planárnej optickej dutiny s hrúbkou len desiatok nanometrov v optickom komunikačnom pásme. Následne sa meralo absorpčné spektrum a rezonančná vlnová dĺžka ultratenkej optickej dutiny s hrúbkou teluridu bizmutu. Nakoniec sa skúma vplyv hrúbky strieborného filmu na elektromagneticky indukované spektrá priehľadnosti v nanokavitách/fotonických kryštáloch teluridu bizmutu.

Prípravou veľkoplošných plochých tenkých vrstiev topologických izolátorov teluridu bizmutu a využitím výhod ultravysokého indexu lomu materiálov teluridu bizmutu v blízkom infračervenom pásme sa získa rovinná optická dutina s hrúbkou len desiatok nanometrov. Ultratenká optická dutina môže realizovať efektívnu absorpciu rezonančného svetla v blízkom infračervenom pásme a má dôležitú aplikačnú hodnotu pri vývoji optoelektronických zariadení v optickom komunikačnom pásme. Hrúbka optickej dutiny teluridu bizmutu je lineárna s rezonančnou vlnovou dĺžkou a je menšia ako hrúbka podobnej kremíkovej a germániovej optickej dutiny. Optická dutina teluridu bizmutu je zároveň integrovaná s fotonickým kryštálom, aby sa dosiahol anomálny optický efekt podobný elektromagneticky indukovanej transparentnosti atómového systému, čo poskytuje novú metódu regulácie spektra mikroštruktúry. Táto štúdia zohráva určitú úlohu pri podpore výskumu topologických izolačných materiálov v oblasti regulácie svetla a optických funkčných zariadení.