Optické komunikačné pásmo, ultratenký optický rezonátor

Optické komunikačné pásmo, ultratenký optický rezonátor
Optické rezonátory dokážu lokalizovať špecifické vlnové dĺžky svetelných vĺn v obmedzenom priestore a majú dôležité uplatnenie v 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 blízkej infračervenej oblasti zvyčajne vyžadujú optické štruktúry stoviek nanometrov a viac. V posledných rokoch ultratenké planárne optické rezonátory priťahujú veľkú pozornosť vďaka svojim potenciálnym aplikáciám v štrukturálnej farbe, holografickom zobrazovaní, regulácii svetelného poľa a optoelektronických zariadeniach. Jedným z náročných problémov, ktorým čelia výskumníci, je zmenšenie hrúbky planárnych rezonátorov.
Na rozdiel od tradičných polovodičových materiálov sú 3D topologické izolátory (ako napríklad telurid bizmutu, telurid antimónu, selenid bizmutu atď.) novými informačnými materiálmi s topologicky chránenými povrchovými stavmi kovu a izolátorovými stavmi. Povrchový stav je chránený symetriou časovej inverzie a jeho elektróny nie sú rozptyľované nemagnetickými nečistotami, čo má dôležité aplikačné vyhliadky v nízkoenergetických kvantových výpočtoch a spintronických zariadeniach. Zároveň topologické izolačné materiály vykazujú aj vynikajúce optické vlastnosti, ako je vysoký index lomu, veľká nelineárna...optickýkoeficient, široký rozsah pracovného spektra, laditeľnosť, jednoduchá integrácia atď., čo poskytuje novú platformu pre realizáciu regulácie svetla aoptoelektronické zariadenia.
Výskumný tím v Číne navrhol metódu výroby ultratenkých optických rezonátorov s použitím veľkoplošne rastúcich topologických izolačných nanofilmov z teluridu bizmutu. Optická dutina vykazuje zjavné 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 sú kremík a germánium), takže hrúbka optickej dutiny môže dosiahnuť jednu dvadsatinu rezonančnej vlnovej dĺžky. Zároveň je optický rezonátor nanesený na jednorozmerný fotonický kryštál a v optickom komunikačnom pásme sa pozoruje nový elektromagneticky indukovaný efekt priehľadnosti, ktorý je spôsobený väzbou rezonátora s Tammovým plazmónom a jeho deštruktívnou interferenciou. Spektrálna odozva tohto efektu závisí od hrúbky optického rezonátora a je odolná voči zmene okolitého indexu lomu. Táto práca otvára nový spôsob realizácie ultratenkých optických dutín, regulácie spektra topologických izolačných materiálov a optoelektronických zariadení.
Ako je znázornené na obr. 1a a 1b, optický rezonátor sa skladá prevažne z topologického izolátora z teluridu bizmutu a strieborných nanofilmov. Nanofilmy z teluridu bizmutu pripravené magnetrónovým naprašovaním majú veľkú plochu a dobrú rovinnosť. Keď je hrúbka filmov 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 na fotonický kryštál vyrobený zo striedajúcich sa vrstiev Ta2O5 (182 nm) a SiO2 (260 nm) (obrázok 1e), v blízkosti pôvodného rezonančného absorpčného píku (~1550 nm) sa objavilo zreteľné absorpčné údolie (obrázok 1f), ktoré je podobné elektromagneticky indukovanému efektu priehľadnosti produkovanému atómovými systémami.

Materiál teluridu bizmutu bol charakterizovaný transmisnou elektrónovou mikroskopiou a elipsometriou. Obr. 2a-2c znázorňujú transmisné elektrónové mikrofotografie (snímky s vysokým rozlíšením) a vybrané difrakčné obrazce elektrónov nanofilmov teluridu bizmutu. Z obrázku je zrejmé, že pripravené nanofilmy teluridu bizmutu sú polykryštalické materiály a hlavná orientácia rastu je v kryštálovej rovine (015). Obrázok 2d-2f znázorňuje komplexný index lomu teluridu bizmutu meraný elipsometrom a prispôsobený index lomu povrchového stavu a komplexného stavu. Výsledky ukazujú, že extinkčný koeficient povrchového stavu je v rozsahu 230~1930 nm väčší ako index lomu, čo vykazuje vlastnosti podobné kovu. Index lomu telesa 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 kladie základ pre prípravu ultratenkých optických rezonátorov. Výskumníci poukazujú na to, že ide o prvú zaznamenanú realizáciu topologickej izolačnej planárnej optickej dutiny s hrúbkou iba desiatok nanometrov v optickom komunikačnom pásme. Následne bolo merané 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 nanodutinách/fotonických kryštálových štruktúrach teluridu bizmutu.

Prípravou veľkoplošných plochých tenkých vrstiev topologických izolátorov z teluridu bizmutu a využitím ultravysokého indexu lomu materiálov z teluridu bizmutu v blízkom infračervenom pásme sa získa planárna optická dutina s hrúbkou iba desiatok nanometrov. Ultratenká optická dutina dokáže dosiahnuť efektívnu rezonančnú absorpciu svetla v blízkom infračervenom pásme a má dôležitú aplikačnú hodnotu pri vývoji optoelektronických zariadení v optickom komunikačnom pásme. Hrúbka optickej dutiny z teluridu bizmutu je lineárna k rezonančnej vlnovej dĺžke a je menšia ako hrúbka podobných optických dutín na báze kremíka a germánia. Zároveň je optická dutina z teluridu bizmutu integrovaná s fotonickým kryštálom, aby sa dosiahol anomálny optický efekt podobný elektromagneticky indukovanej priehľadnosti 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.