Bandă de comunicație optică, rezonator optic ultra-subțire

Bandă de comunicație optică, rezonator optic ultra-subțire
Rezonatoarele optice pot localiza lungimi de undă specifice ale undelor luminoase într-un spațiu limitat și au aplicații importante în interacțiunea lumină-materie.comunicare optică, detectarea optică și integrarea optică. Dimensiunea rezonatorului depinde în principal de caracteristicile materialului și de lungimea de undă de funcționare, de exemplu, rezonatoarele de siliciu care funcționează în banda infraroșie apropiată necesită de obicei structuri optice de sute de nanometri și mai mult. În ultimii ani, rezonatoarele optice planare ultra-subțiri au atras multă atenție datorită aplicațiilor lor potențiale în culori structurale, imagistica holografică, reglarea câmpului luminos și dispozitivele optoelectronice. Modul de reducere a grosimii rezonatoarelor planare este una dintre problemele dificile cu care se confruntă cercetătorii.
Spre deosebire de materialele semiconductoare tradiționale, izolatorii topologici 3D (cum ar fi telurura de bismut, telurura de antimoniu, seleniura de bismut etc.) sunt materiale informaționale noi cu stări de suprafață metalice și stări izolatoare protejate topologic. Starea de suprafață este protejată de simetria inversiunii timpului, iar electronii săi nu sunt împrăștiați de impurități nemagnetice, ceea ce are perspective importante de aplicare în calculul cuantic de mică putere și în dispozitivele spintronice. În același timp, materialele izolatoare topologice prezintă și proprietăți optice excelente, cum ar fi indicele de refracție ridicat, proprietăți neliniare mari.opticcoeficient, gamă largă de spectru de lucru, reglabilitate, integrare ușoară etc., ceea ce oferă o nouă platformă pentru realizarea reglării luminii șidispozitive optoelectronice.
O echipă de cercetare din China a propus o metodă de fabricare a rezonatoarelor optice ultra-subțiri, utilizând nanofilme izolatoare topologice de telurură de bismut cu suprafață mare în creștere. Cavitatea optică prezintă caracteristici evidente de absorbție a rezonanței în banda infraroșie apropiată. Telurura de bismut are un indice de refracție foarte ridicat, de peste 6, în banda de comunicații optice (mai mare decât indicele de refracție al materialelor tradiționale cu indice de refracție ridicat, cum ar fi siliciul și germaniul), astfel încât grosimea cavității optice poate ajunge la o douăzecea parte din lungimea de undă de rezonanță. În același timp, rezonatorul optic este depus pe un cristal fotonic unidimensional și se observă un nou efect de transparență indus electromagnetic în banda de comunicații optice, care se datorează cuplării rezonatorului cu plasmonul Tamm și interferenței sale distructive. Răspunsul spectral al acestui efect depinde de grosimea rezonatorului optic și este robust la schimbarea indicelui de refracție ambiental. Această lucrare deschide o nouă cale pentru realizarea cavității optice ultra-subțiri, a reglării spectrului materialelor izolatoare topologice și a dispozitivelor optoelectronice.
Așa cum se arată în FIG. 1a și 1b, rezonatorul optic este compus în principal dintr-un izolator topologic de telurură de bismut și nanofilme de argint. Nanofilmele de telurură de bismut preparate prin pulverizare magnetronică au o suprafață mare și o planeitate bună. Când grosimea filmelor de telurură de bismut și argint este de 42 nm, respectiv 30 nm, cavitatea optică prezintă o absorbție de rezonanță puternică în banda de 1100~1800 nm (Figura 1c). Când cercetătorii au integrat această cavitate optică pe un cristal fotonic format din stive alternante de straturi de Ta2O5 (182 nm) și SiO2 (260 nm) (Figura 1e), a apărut o vale de absorbție distinctă (Figura 1f) în apropierea vârfului de absorbție rezonantă original (~1550 nm), similară cu efectul de transparență indus electromagnetic produs de sistemele atomice.

Materialul de telurură de bismut a fost caracterizat prin microscopie electronică de transmisie și elipsometrie. FIG. 2a-2c prezintă micrografii electronice de transmisie (imagini de înaltă rezoluție) și modele de difracție electronică selectate ale nanofilmelor de telurură de bismut. Se poate observa din figură că nanofilmele de telurură de bismut preparate sunt materiale policristaline, iar orientarea principală de creștere este planul cristalin (015). Figura 2d-2f prezintă indicele de refracție complex al telururii de bismut măsurat cu elipsometru și starea de suprafață ajustată și indicele de refracție complex al stării. Rezultatele arată că coeficientul de extincție al stării de suprafață este mai mare decât indicele de refracție în intervalul 230~1930 nm, prezentând caracteristici asemănătoare metalului. Indicele de refracție al corpului este mai mare de 6 atunci când lungimea de undă este mai mare de 1385 nm, ceea ce este mult mai mare decât cel al siliciului, germaniului și altor materiale tradiționale cu indice de refracție ridicat în această bandă, ceea ce pune bazele pentru prepararea rezonatoarelor optice ultra-subțiri. Cercetătorii subliniază că aceasta este prima realizare raportată a unei cavități optice planare izolatoare topologice cu o grosime de doar zeci de nanometri în banda de comunicații optice. Ulterior, spectrul de absorbție și lungimea de undă de rezonanță a cavității optice ultra-subțiri au fost măsurate cu grosimea telururii de bismut. În cele din urmă, este investigat efectul grosimii peliculei de argint asupra spectrelor de transparență induse electromagnetic în nanocavități/structuri cristaline fotonice de telurură de bismut.

Prin prepararea unor pelicule subțiri, plate, de suprafață mare, de izolatori topologici din telurură de bismut și profitând de indicele de refracție ultra-ridicat al materialelor din telurură de bismut în banda infraroșie apropiată, se obține o cavitate optică planară cu o grosime de doar zeci de nanometri. Cavitatea optică ultra-subțire poate realiza o absorbție rezonantă eficientă a luminii în banda infraroșie apropiată și are o valoare aplicativă importantă în dezvoltarea dispozitivelor optoelectronice în banda de comunicații optice. Grosimea cavității optice din telurură de bismut este liniară față de lungimea de undă rezonantă și este mai mică decât cea a cavităților optice similare din siliciu și germaniu. În același timp, cavitatea optică din telurură de bismut este integrată cu cristalul fotonic pentru a obține un efect optic anomal similar transparenței induse electromagnetic a sistemului atomic, ceea ce oferă o nouă metodă pentru reglarea spectrului microstructurii. Acest studiu joacă un anumit rol în promovarea cercetării materialelor izolatoare topologice în reglarea luminii și dispozitivele optice funcționale.