Optické komunikační pásmo, ultratenký optický rezonátor

Optické komunikační pásmo, ultratenký optický rezonátor
Optické rezonátory dokáží lokalizovat specifické vlnové délky světelných vln v omezeném prostoru a mají důležité uplatnění v interakci světla s hmotou,optická komunikace, optické snímání a optická integrace. Velikost rezonátoru závisí hlavně na vlastnostech materiálu a provozní vlnové délce, například křemíkové rezonátory pracující v blízkém infračerveném pásmu obvykle vyžadují optické struktury o velikosti stovek nanometrů a více. V posledních letech přitahují ultratenké planární optické rezonátory velkou pozornost díky svému potenciálnímu využití ve strukturálních barvách, holografickém zobrazování, regulaci světelného pole a optoelektronických zařízeních. Zmenšení tloušťky planárních rezonátorů je jedním z obtížných problémů, kterým vědci čelí.
Na rozdíl od tradičních polovodičových materiálů jsou 3D topologické izolanty (jako je telurid bizmutu, telurid antimonu, selenid bizmutu atd.) novými informačními materiály s topologicky chráněnými povrchovými stavy kovu a izolanty. Povrchový stav je chráněn symetrií časové inverze a jeho elektrony nejsou rozptylovány nemagnetickými nečistotami, což má důležité aplikační perspektivy v nízkoenergetických kvantových výpočtech a spintronických zařízeních. Zároveň topologické izolanty vykazují také vynikající optické vlastnosti, jako je vysoký index lomu, velká nelineární aktivita a...optickýkoeficient, široký rozsah pracovního spektra, laditelnost, snadná integrace atd., což poskytuje novou platformu pro realizaci regulace světla aoptoelektronická zařízení.
Výzkumný tým v Číně navrhl metodu výroby ultratenkých optických rezonátorů s využitím velkoplošně rostoucích topologických izolačních nanofilmů z teluridu bizmutu. Optická dutina vykazuje zřetelné rezonanční absorpční charakteristiky v blízkém infračerveném pásmu. Telurid bizmutu má v optickém komunikačním pásmu velmi vysoký index lomu více než 6 (vyšší než index lomu tradičních materiálů s vysokým indexem lomu, jako je křemík a germanium), takže tloušťka optické dutiny může dosáhnout jedné dvacetiny rezonanční vlnové délky. Zároveň je optický rezonátor nanesen na jednorozměrný fotonický krystal a v optickém komunikačním pásmu je pozorován nový elektromagneticky indukovaný efekt transparentnosti, který je způsoben vazbou rezonátoru s Tammovým plazmonem a jeho destruktivní interferencí. Spektrální odezva tohoto efektu závisí na tloušťce optického rezonátoru a je robustní vůči změně okolního indexu lomu. Tato práce otevírá novou cestu k realizaci ultratenkých optických dutin, regulace spektra topologických izolačních materiálů a optoelektronických zařízení.
Jak je znázorněno na obr. 1a a 1b, optický rezonátor se skládá převážně z topologického izolantu z teluridu bizmutu a nanofilmů stříbra. Nanofilmy z teluridu bizmutu připravené magnetronovým naprašováním mají velkou plochu a dobrou rovinnost. Při tloušťce filmů teluridu bizmutu a stříbra 42 nm, respektive 30 nm, vykazuje optická dutina silnou rezonanční absorpci v pásmu 1100~1800 nm (obrázek 1c). Když vědci integrovali tuto optickou dutinu na fotonický krystal vyrobený ze střídajících se vrstev Ta2O5 (182 nm) a SiO2 (260 nm) (obrázek 1e), objevilo se v blízkosti původního rezonančního absorpčního píku (~1550 nm) zřetelné absorpční údolí (obrázek 1f), které je podobné elektromagneticky indukovanému efektu průhlednosti produkovanému atomovými systémy.

Materiál teluridu bizmutu byl charakterizován transmisní elektronovou mikroskopií a elipsometrií. Obr. 2a-2c znázorňují transmisní elektronové mikrofotografie (snímky s vysokým rozlišením) a vybrané elektronové difrakční obrazce nanofilmů teluridu bizmutu. Z obrázku je patrné, že připravené nanofilmy teluridu bizmutu jsou polykrystalické materiály a hlavní orientace růstu je v krystalové rovině (015). Obrázek 2d-2f znázorňuje komplexní index lomu teluridu bizmutu měřený elipsometrem a fitovaný index lomu povrchového stavu a komplexního stavu. Výsledky ukazují, že extinkční koeficient povrchového stavu je v rozsahu 230~1930 nm větší než index lomu, což vykazuje vlastnosti podobné kovu. Index lomu tělesa je vyšší než 6, když je vlnová délka větší než 1385 nm, což je mnohem více než u křemíku, germania a dalších tradičních materiálů s vysokým indexem lomu v tomto pásmu, což pokládá základ pro přípravu ultratenkých optických rezonátorů. Výzkumníci zdůrazňují, že se jedná o první zaznamenanou realizaci topologické izolační planární optické dutiny o tloušťce pouhých desítek nanometrů v optickém komunikačním pásmu. Následně bylo měřeno absorpční spektrum a rezonanční vlnová délka ultratenké optické dutiny s tloušťkou teluridu bizmutu. Nakonec je zkoumán vliv tloušťky stříbrného filmu na elektromagneticky indukovaná spektra transparentnosti v nanodutinách/fotonických krystalových strukturách teluridu bizmutu.

Přípravou velkoplošných plochých tenkých vrstev topologických izolantů z teluridu bizmutu a využitím ultravysokého indexu lomu materiálů na bázi teluridu bizmutu v blízkém infračerveném pásmu se získá planární optická dutina o tloušťce pouhých desítek nanometrů. Ultratenká optická dutina dokáže efektivně absorpovat rezonanční světlo v blízkém infračerveném pásmu a má důležitou aplikační hodnotu při vývoji optoelektronických zařízení v optickém komunikačním pásmu. Tloušťka optické dutiny z teluridu bizmutu je lineární k rezonanční vlnové délce a je menší než u podobných křemíkových a germaniových optických dutin. Zároveň je optická dutina z teluridu bizmutu integrována s fotonickým krystalem, čímž se dosahuje anomálního optického efektu podobného elektromagneticky indukované transparentnosti atomového systému, což poskytuje novou metodu pro spektrální regulaci mikrostruktury. Tato studie hraje určitou roli v podpoře výzkumu topologických izolačních materiálů v oblasti regulace světla a optických funkčních zařízení.