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, optyczne wykrywanie i optyczna integracja. Rozmiar rezonatora zależy głównie od właściwości materiału i długości fali roboczej, na przykład rezonatory krzemowe działające w paśmie bliskiej podczerwieni zwykle wymagają struktur optycznych o wielkości setek nanometrów i większych. W ostatnich latach ultracienkie planarne rezonatory optyczne przyciągnęły wiele uwagi ze względu na ich potencjalne zastosowania w kolorze strukturalnym, obrazowaniu holograficznym, regulacji pola świetlnego i urządzeniach optoelektronicznych. Jednym z trudnych problemów, z jakimi borykają się badacze, jest to, jak zmniejszyć grubość planarnych rezonatorów.
W odróżnieniu od tradycyjnych materiałów półprzewodnikowych, izolatory topologiczne 3D (takie jak tellurek bizmutu, tellurek antymonu, selenek bizmutu itp.) są nowymi materiałami informacyjnymi z topologicznie chronionymi stanami powierzchni metalu i stanami izolatora. Stan powierzchni jest chroniony przez symetrię inwersji czasu, a jego elektrony nie są rozpraszane przez niemagnetyczne zanieczyszczenia, co ma ważne perspektywy zastosowania w komputerach kwantowych o niskiej mocy i urządzeniach spintronicznych. Jednocześnie materiały izolatorów topologicznych wykazują również doskonałe właściwości optyczne, takie jak wysoki współczynnik załamania, duże nielinioweoptycznywspółczynnik, szeroki zakres widma roboczego, możliwość strojenia, łatwa integracja itp., co zapewnia nową platformę do realizacji regulacji światła iurządzenia optoelektroniczne.
Zespół badawczy w Chinach zaproponował metodę wytwarzania ultracienkich rezonatorów optycznych przy użyciu nanofilmów topologicznego izolatora z tellurku bizmutu o dużej powierzchni. Wnęka optyczna wykazuje oczywiste właściwości absorpcji rezonansowej w paśmie bliskiej podczerwieni. Tellurek bizmutu ma bardzo wysoki współczynnik refrakcji wynoszący ponad 6 w paśmie komunikacji optycznej (wyższy niż współczynnik refrakcji tradycyjnych materiałów o wysokim współczynniku refrakcji, 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 efekt przezroczystości indukowanej elektromagnetycznie, 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 zmianę współczynnika refrakcji otoczenia. Praca ta otwiera nowy sposób realizacji ultracienkich wnęk optycznych, regulacji widma materiałów izolatorów topologicznych i urządzeń optoelektronicznych.
Jak pokazano na FIG. 1a i 1b, rezonator optyczny składa się głównie z topologicznego izolatora tellurku bizmutu i nanofilmów srebra. Nanofilmy tellurku bizmutu przygotowane metodą rozpylania magnetronowego mają dużą powierzchnię i dobrą płaskość. Gdy grubość tellurku bizmutu i filmów srebra wynosi odpowiednio 42 nm i 30 nm, wnęka optyczna wykazuje silną absorpcję rezonansową w paśmie 1100~1800 nm (rysunek 1c). Gdy naukowcy zintegrowali tę wnękę optyczną z kryształem fotonicznym wykonanym z naprzemiennych stosów warstw Ta2O5 (182 nm) i SiO2 (260 nm) (rysunek 1e), wyraźna dolina absorpcyjna (rysunek 1f) pojawiła się w pobliżu pierwotnego szczytu absorpcji rezonansowej (~1550 nm), co jest podobne do efektu przezroczystości indukowanego elektromagnetycznie wytwarzanego przez układy atomowe.
Materiał tellurku bizmutu został scharakteryzowany za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej i elipsometrii. FIG. 2a-2c przedstawia transmisyjne mikroskopy elektronowe (obrazy o wysokiej rozdzielczości) i wybrane wzory dyfrakcji elektronowej nanofilmów tellurku bizmutu. Z rysunku wynika, że przygotowane nanofilmy tellurku bizmutu są materiałami polikrystalicznymi, a główną orientacją wzrostu jest płaszczyzna kryształu (015). Rysunek 2d-2f przedstawia złożony współczynnik refrakcji tellurku bizmutu zmierzony elipsometrem oraz dopasowany stan powierzchni i złożony współczynnik refrakcji stanu. Wyniki pokazują, że współczynnik ekstynkcji stanu powierzchni jest większy niż współczynnik refrakcji w zakresie 230~1930 nm, wykazując cechy podobne do metalu. Współczynnik refrakcji ciała jest większy niż 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 refrakcji w tym paśmie, co stanowi podstawę do przygotowania ultracienkich rezonatorów optycznych. Naukowcy podkreślają, że jest to pierwsza zgłoszona realizacja topologicznego izolatora płaskiej wnęki optycznej o grubości zaledwie kilkudziesięciu nanometrów w paśmie komunikacji optycznej. Następnie widmo absorpcyjne i długość fali rezonansowej ultracienkiej wnęki optycznej zmierzono przy użyciu grubości tellurku bizmutu. Na koniec zbadano wpływ grubości warstwy srebra na widma przezroczystości indukowanej elektromagnetycznie w nanownękowych/fotonicznych strukturach krystalicznych tellurku bizmutu
Przygotowując duże płaskie cienkie warstwy topologicznych izolatorów tellurku bizmutu i wykorzystując ultrawysoki współczynnik refrakcji materiałów tellurku bizmutu w paśmie bliskiej podczerwieni, uzyskuje się płaską wnękę optyczną o grubości zaledwie kilkudziesięciu nanometrów. Ultracienka wnęka optyczna może realizować wydajną rezonansową absorpcję światła w paśmie bliskiej podczerwieni i ma ważną wartość użytkową w rozwoju urządzeń optoelektronicznych w paśmie komunikacji optycznej. Grubość wnęki optycznej tellurku bizmutu jest liniowa do długości fali rezonansowej i jest mniejsza niż w przypadku podobnej wnęki optycznej z krzemu i germanu. Jednocześnie wnęka optyczna tellurku bizmutu jest zintegrowana z kryształem fotonicznym w celu uzyskania anomalnego efektu optycznego podobnego do elektromagnetycznie indukowanej przezroczystości układu atomowego, co zapewnia nową metodę regulacji widma mikrostruktury. Niniejsze badanie odgrywa pewną rolę w promowaniu badań nad materiałami izolatorów topologicznych w regulacji światła i optycznych urządzeniach funkcjonalnych.
Czas publikacji: 30-09-2024