Pasmo komunikacji optycznej, ultracienki rezonator optyczny

Pasmo komunikacji optycznej, ultracienki rezonator optyczny
Rezonatory optyczne mogą lokalizować określone długości fal świetlnych w ograniczonej przestrzeni i mają ważne zastosowania w interakcji światło-materia,komunikacja optyczna, wykrywanie optyczne i integracja optyczna. Rozmiar rezonatora zależy głównie od właściwości materiału i roboczej długości fali, na przykład rezonatory krzemowe pracujące w paśmie bliskiej podczerwieni zwykle wymagają struktur optycznych o średnicy setek nanometrów i większych. W ostatnich latach duże zainteresowanie wzbudziły ultracienkie, planarne rezonatory optyczne ze względu na ich potencjalne zastosowania w barwie strukturalnej, obrazowaniu holograficznym, regulacji pola świetlnego i urządzeniach optoelektronicznych. Sposób zmniejszenia grubości rezonatorów planarnych jest jednym z trudnych problemów stojących przed badaczami.
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 powierzchni metali i stanami izolatorów. Stan powierzchni jest chroniony przez symetrię inwersji czasu, a jej elektrony nie są rozpraszane przez zanieczyszczenia niemagnetyczne, co ma ważne perspektywy zastosowania w obliczeniach kwantowych małej mocy i urządzeniach spintronicznych. Jednocześnie materiały izolatorów topologicznych wykazują również doskonałe właściwości optyczne, takie jak wysoki współczynnik załamania światła, duża nieliniowośćoptycznywspółczynnik, szeroki zakres widma roboczego, możliwość przestrajania, 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 wielkopowierzchniowych nanofilmów topologicznych izolatorów z tellurku bizmutu. Wnęka optyczna wykazuje oczywistą charakterystykę absorpcji rezonansu w paśmie bliskiej podczerwieni. Tellurek bizmutu ma bardzo wysoki współczynnik załamania światła, większy niż 6 w paśmie komunikacji optycznej (wyższy niż współczynnik załamania tradycyjnych materiałów o wysokim współczynniku załamania światła, takich jak krzem i german), dzięki czemu grubość wnęki optycznej może osiągnąć jedną dwudziestą rezonansu długość fali. Jednocześnie rezonator optyczny osadza się na jednowymiarowym krysztale fotonicznym i obserwuje się nowatorski, indukowany elektromagnetycznie efekt przezroczystości w paśmie komunikacji optycznej, który wynika ze sprzężenia rezonatora z plazmonem Tamma i jego destrukcyjnej interferencji . Odpowiedź widmowa tego efektu zależy od grubości rezonatora optycznego i jest odporna na zmianę współczynnika załamania światła otoczenia. Praca ta otwiera nową drogę do realizacji ultracienkich wnęk optycznych, regulacji widma materiału izolatora topologicznego i urządzeń optoelektronicznych.
Jak pokazano na FIG. 1a i 1b rezonator optyczny składa się głównie z topologicznego izolatora z tellurku bizmutu i nanofilmów srebra. Nanofilmy tellurku bizmutu przygotowane metodą rozpylania magnetronowego mają dużą powierzchnię i dobrą płaskość. Gdy grubość warstwy tellurku bizmutu i srebra wynosi odpowiednio 42 nm i 30 nm, wnęka optyczna wykazuje silną absorpcję rezonansową w paśmie 1100 ~ 1800 nm (rysunek 1c). Kiedy badacze zintegrowali tę wnękę optyczną z kryształem fotonicznym złożonym 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), który jest podobny do indukowanego elektromagnetycznie efektu przezroczystości wytwarzanego przez układy atomowe.

Materiał tellurku bizmutu scharakteryzowano za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej i elipsometrii. FIGA. 2a-2c przedstawia transmisyjne mikrografy elektronowe (obrazy o wysokiej rozdzielczości) i wybrane wzory dyfrakcji elektronów nanofilmów tellurku bizmutu. Z rysunku można zobaczyć, że przygotowane nanofilmy tellurku bizmutu są materiałami polikrystalicznymi, a główna orientacja wzrostu to (015) płaszczyzna kryształu. Rysunek 2d-2f przedstawia złożony współczynnik załamania światła tellurku bizmutu zmierzony za pomocą elipsometru oraz stan dopasowanej powierzchni i złożony współczynnik załamania światła. Wyniki pokazują, że współczynnik ekstynkcji stanu powierzchniowego jest większy niż współczynnik załamania światła w zakresie 230~1930 nm, wykazując cechy podobne do metalu. Współczynnik załamania światła ciała wynosi więcej niż 6, gdy długość fali jest większa niż 1385 nm, czyli jest znacznie wyższa niż w przypadku krzemu, germanu i innych tradycyjnych materiałów o wysokim współczynniku załamania światła w tym paśmie, co stanowi podstawę do przygotowania ultra -cienkie rezonatory optyczne. Naukowcy podkreślają, że jest to pierwsza odnotowana realizacja płaskiej wnęki optycznej izolatora topologicznego o grubości zaledwie kilkudziesięciu nanometrów w paśmie komunikacji optycznej. Następnie zmierzono widmo absorpcji 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 strukturach nanownęki/krystalu fotonicznego tellurku bizmutu

Przygotowując wielkopowierzchniowe, płaskie, cienkie warstwy izolatorów topologicznych z tellurku bizmutu i wykorzystując ultrawysoki współczynnik załamania światła materiałów z tellurku bizmutu w paśmie bliskiej podczerwieni, uzyskuje się płaską wnękę optyczną o grubości zaledwie kilkudziesięciu nanometrów. Ultracienka wnęka optyczna może realizować efektywną absorpcję światła rezonansowego w paśmie bliskiej podczerwieni i ma ważną wartość aplikacyjną w rozwoju urządzeń optoelektronicznych w paśmie komunikacji optycznej. Grubość wnęki optycznej z tellurku bizmutu jest liniowa w stosunku do długości fali rezonansowej i jest mniejsza niż w przypadku podobnych wnęk optycznych z krzemu i germanu. Jednocześnie wnęka optyczna tellurku bizmutu jest zintegrowana z kryształem fotonicznym, aby uzyskać anomalny efekt optyczny podobny do indukowanej elektromagnetycznie przezroczystości układu atomowego, co zapewnia nową metodę regulacji widma mikrostruktury. Praca ta odgrywa pewną rolę w promowaniu badań topologicznych materiałów izolacyjnych w regulacji światła i optycznych urządzeniach funkcjonalnych.