Pasmo komunikacji optycznej, ultracienki rezonator optyczny
Rezonatory optyczne mogą lokalizować określone długości fal świetlnych w ograniczonej przestrzeni i mają ważne zastosowania w oddziaływaniu światła z materią,komunikacja optyczna, czujniki optyczne i integracja optyczna. Rozmiar rezonatora zależy głównie od właściwości materiału i długości fali roboczej, na przykład rezonatory krzemowe działające w paśmie bliskiej podczerwieni zazwyczaj wymagają struktur optycznych o średnicy setek nanometrów i większych. W ostatnich latach ultracienkie, planarne rezonatory optyczne zyskały na popularności ze względu na ich potencjalne zastosowania w barwie strukturalnej, obrazowaniu holograficznym, regulacji pola świetlnego i urządzeniach optoelektronicznych. Zmniejszenie grubości rezonatorów planarnych to jeden z trudnych problemów, z jakimi borykają się badacze.
W odróżnieniu od tradycyjnych materiałów półprzewodnikowych, trójwymiarowe izolatory topologiczne (takie jak tellurek bizmutu, tellurek antymonu, selenek bizmutu itp.) to nowe materiały informacyjne z topologicznie chronionymi stanami powierzchniowymi metalu i stanami izolatora. Stan powierzchniowy jest chroniony dzięki symetrii inwersji czasu, a jego elektrony nie są rozpraszane przez niemagnetyczne zanieczyszczenia, co stwarza ważne perspektywy zastosowań w komputerach kwantowych małej mocy i urządzeniach spintronicznych. Jednocześnie materiały izolacyjne topologiczne charakteryzują się również doskonałymi właściwościami optycznymi, takimi jak wysoki współczynnik załamania światła i duże nieliniowe pola magnetyczne.optycznywspółczynnik, szeroki zakres widma roboczego, możliwość strojenia, łatwość integracji itp., co zapewnia nową platformę do realizacji regulacji światła iurządzenia optoelektroniczne.
Zespół badawczy w Chinach zaproponował metodę wytwarzania ultracienkich rezonatorów optycznych z wykorzystaniem nanowarstw izolatora topologicznego z tellurku bizmutu o dużej powierzchni wzrostu. Wnęka optyczna wykazuje wyraźne właściwości absorpcji rezonansowej w paśmie bliskiej podczerwieni. Tellurek bizmutu ma bardzo wysoki współczynnik załamania światła, przekraczający 6 w paśmie komunikacji optycznej (wyższy niż współczynnik załamania tradycyjnych materiałów o wysokim współczynniku załamania, takich jak krzem i german), dzięki czemu grubość wnęki optycznej może osiągnąć jedną dwudziestą długości fali rezonansowej. Jednocześnie rezonator optyczny jest osadzany na jednowymiarowym krysztale fotonicznym, a w paśmie komunikacji optycznej obserwuje się nowy, indukowany elektromagnetycznie efekt przezroczystości, który jest spowodowany sprzężeniem rezonatora z plazmonem Tamma i jego destrukcyjną interferencją. Odpowiedź widmowa tego efektu zależy od grubości rezonatora optycznego i jest odporna na zmiany współczynnika załamania światła otoczenia. Praca ta otwiera nową drogę do realizacji ultracienkich wnęk optycznych, regulacji widma materiałów izolatorów topologicznych i urządzeń optoelektronicznych.
Jak pokazano na rys. 1a i 1b, rezonator optyczny składa się głównie z topologicznego izolatora z tellurku bizmutu oraz nanowarstw srebra. Nanowarstwy tellurku bizmutu, otrzymane metodą rozpylania magnetronowego, charakteryzują się dużą powierzchnią i dobrą płaskością. Gdy grubość tellurku bizmutu i srebra wynosi odpowiednio 42 nm i 30 nm, wnęka optyczna wykazuje silną absorpcję rezonansową w paśmie 1100–1800 nm (rys. 1c). Po zintegrowaniu tej wnęki optycznej z kryształem fotonicznym wykonanym z naprzemiennych warstw Ta2O5 (182 nm) i SiO2 (260 nm) (rys. 1e), w pobliżu pierwotnego piku absorpcji rezonansowej (~1550 nm) pojawiła się wyraźna dolina absorpcyjna (rys. 1f), podobna do efektu przezroczystości indukowanego elektromagnetycznie, wytwarzanego przez układy atomowe.
Materiał tellurku bizmutu został scharakteryzowany za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej i elipsometrii. Rys. 2a-2c przedstawiają transmisyjne mikroskopy elektronowe (obrazy o wysokiej rozdzielczości) oraz wybrane dyfraktogramy elektronowe nanofilmów tellurku bizmutu. Z rysunku wynika, że przygotowane nanofilmy tellurku bizmutu są materiałami polikrystalicznymi, a główną orientacją wzrostu jest płaszczyzna kryształu (015). Rys. 2d-2f przedstawia zespolony współczynnik załamania światła tellurku bizmutu zmierzony elipsometrem oraz dopasowany stan powierzchni i zespolony współczynnik załamania światła. Wyniki wskazują, że współczynnik ekstynkcji stanu powierzchni jest większy niż współczynnik załamania światła w zakresie 230–1930 nm, co wskazuje na właściwości metaliczne. Współczynnik załamania światła tego elementu przekracza 6, gdy długość fali jest większa niż 1385 nm, co jest wartością znacznie wyższą niż w przypadku krzemu, germanu i innych tradycyjnych materiałów o wysokim współczynniku załamania w tym paśmie, co stanowi podstawę do opracowania ultracienkich rezonatorów optycznych. Naukowcy podkreślają, że jest to pierwsza opisana realizacja płaskiej wnęki optycznej z izolatorem topologicznym o grubości zaledwie kilkudziesięciu nanometrów w paśmie komunikacji optycznej. Następnie zmierzono widmo absorpcyjne i długość fali rezonansowej ultracienkiej wnęki optycznej za pomocą grubości tellurku bizmutu. Na koniec zbadano wpływ grubości warstwy srebra na widma przezroczystości indukowanej elektromagnetycznie w nano-wnękowych/fotonicznych strukturach kryształu tellurku bizmutu.
Poprzez przygotowanie dużych, płaskich, cienkich warstw topologicznych izolatorów z tellurku bizmutu i wykorzystanie ultrawysokiego współczynnika załamania światła materiałów z tellurku bizmutu w paśmie bliskiej podczerwieni, uzyskano płaską wnękę optyczną o grubości zaledwie kilkudziesięciu nanometrów. Ultracienka wnęka optyczna może realizować efektywną absorpcję rezonansową światła w paśmie bliskiej podczerwieni i ma istotne znaczenie w rozwoju urządzeń optoelektronicznych w paśmie komunikacji optycznej. Grubość wnęki optycznej z tellurku bizmutu jest liniowa do długości fali rezonansowej i jest mniejsza niż w przypadku podobnych wnęk optycznych z krzemu i germanu. Jednocześnie wnęka optyczna z tellurku bizmutu jest zintegrowana z kryształem fotonicznym w celu uzyskania anomalnego efektu optycznego podobnego do indukowanej elektromagnetycznie przezroczystości układu atomowego, co zapewnia nową metodę regulacji widma mikrostruktury. Niniejsze badanie odgrywa pewną rolę w promowaniu badań nad materiałami izolacyjnymi topologicznymi w zakresie regulacji światła i optycznych urządzeń funkcjonalnych.
Czas publikacji: 30.09.2024