Optické komunikační pásmo, ultratenký optický rezonátor

Optické komunikační pásmo, ultratenký optický rezonátor
Optické rezonátory mohou lokalizovat specifické vlnové délky světelných vln v omezeném prostoru a mají důležité aplikace v interakci světlo-hmota,optická komunikace, optické snímání a optická integrace. Velikost rezonátoru závisí především na materiálových vlastnostech a provozní vlnové délce, například křemíkové rezonátory pracující v blízkém infračerveném pásmu obvykle vyžadují optické struktury stovek nanometrů a více. V posledních letech přitahují ultratenké planární optické rezonátory velkou pozornost kvůli jejich potenciálním aplikacím ve strukturních barvách, holografickém zobrazování, regulaci světelného pole a optoelektronických zařízeních. Jak snížit tloušťku planárních rezonátorů je jedním z obtížných problémů, kterým výzkumníci čelí.
Na rozdíl od tradičních polovodičových materiálů jsou 3D topologické izolátory (jako telurid vizmutu, telurid antimonu, selenid vizmutu atd.) novými informačními materiály s topologicky chráněnými stavy kovového povrchu a stavy izolantu. Povrchový stav je chráněn symetrií časové inverze a jeho elektrony nejsou rozptylovány nemagnetickými nečistotami, což má důležité aplikační vyhlídky v nízkovýkonových kvantových počítačích a spintronických zařízeních. Topologické izolační materiály zároveň vykazují také vynikající optické vlastnosti, jako je vysoký index lomu, velké nelineárníoptickýkoeficient, 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 pomocí nanofilmů topologického izolátoru s velkou plochou rostoucího teluridu bismutu. Optická dutina vykazuje zřejmé rezonanční absorpční charakteristiky v blízkém infračerveném pásmu. Telurid vizmutu má velmi vysoký index lomu více než 6 v optickém komunikačním pásmu (vyšší než index lomu tradičních materiálů s vysokým indexem lomu, jako je křemík a germanium), takže tloušťka optické dutiny může dosáhnout jedné dvacetiny rezonance. vlnová délka. Současně je optický rezonátor nanesen na jednorozměrný fotonický krystal a v optickém komunikačním pásmu je pozorován nový elektromagneticky indukovaný transparentní efekt, který je způsoben spojením rezonátoru s plazmonem Tamm a jeho destruktivní interferencí. . Spektrální odezva tohoto efektu závisí na tloušťce optického rezonátoru a je odolná vůči změně okolního indexu lomu. Tato práce otevírá novou cestu pro realizaci ultratenké optické dutiny, regulaci spektra topologického izolátoru a optoelektronických zařízení.
Jak je znázorněno na OBR. 1a a 1b, optický rezonátor se skládá hlavně z topologického izolátoru z teluridu vizmutu a stříbrných nanofilmů. Nanofilmy teluridu vizmutu připravené magnetronovým naprašováním mají velkou plochu a dobrou rovinnost. Když je tloušťka filmu teluridu bismutu a filmu stříbra 42 nm a 30 nm, optická dutina vykazuje silnou rezonanční absorpci v pásmu 1100~1800 nm (obrázek 1c). Když výzkumníci integrovali tuto optickou dutinu do fotonického krystalu vyrobeného ze střídavých svazků vrstev Ta2O5 (182 nm) a SiO2 (260 nm) (obrázek 1e), objevilo se zřetelné absorpční údolí (obrázek 1f) poblíž původního rezonančního absorpčního vrcholu (~ 1550 nm), což je podobné elektromagneticky indukovanému efektu průhlednosti vytvářenému atomovými systémy.

Telurid vizmutu byl charakterizován transmisní elektronovou mikroskopií a elipsometrií. Obr. 2a-2c ukazuje transmisní elektronové mikrofotografie (snímky s vysokým rozlišením) a vybrané obrazce elektronové difrakce nanofilmů teluridu vizmutu. Z obrázku je patrné, že připravené nanofilmy teluridu vizmutu jsou polykrystalické materiály a hlavní orientace růstu je (015) krystalová rovina. Obrázek 2d-2f ukazuje komplexní index lomu teluridu vizmutu měřený elipsometrem a přizpůsobený stav povrchu a stavový komplexní index lomu. Výsledky ukazují, že extinkční koeficient povrchového stavu je větší než index lomu v rozsahu 230~1930 nm, což vykazuje vlastnosti podobné kovu. Index lomu těla je více 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 ultra - tenké optické rezonátory. Vědci upozorňují, že jde o první hlášenou realizaci topologického izolátoru 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 vizmutu. Nakonec je zkoumán vliv tloušťky stříbrného filmu na elektromagneticky indukovaná spektra transparentnosti v nanokavitě/fotonických krystalových strukturách teluridu bismutu.

Přípravou velkoplošných plochých tenkých vrstev topologických izolátorů teluridu vizmutu a využitím výhod ultravysokého indexu lomu materiálů teluridu vizmutu v blízkém infračerveném pásmu se získá planární optická dutina o tloušťce pouhých desítek nanometrů. Ultratenká optická dutina může realizovat účinnou absorpci rezonančního světla v blízkém infračerveném pásmu a má důležitou aplikační hodnotu při vývoji optoelektronických zařízení v optickém komunikačním pásmu. Tloušťka optické dutiny teluridu vizmutu je lineární k rezonanční vlnové délce a je menší než tloušťka podobné křemíkové a germaniové optické dutiny. Současně je optická dutina teluridu bismutu integrována s fotonickým krystalem, aby se dosáhlo anomálního optického efektu podobného elektromagneticky indukované průhlednosti atomového systému, což poskytuje novou metodu pro spektrální regulaci mikrostruktury. Tato studie hraje určitou roli v podpoře výzkumu topologických izolačních materiálů v regulaci světla a optických funkčních zařízeních.