Banda de comunicare optică, rezonator optic ultra-subțire

Banda de comunicare 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, detecție optică și integrare optică. Mărimea rezonatorului depinde în principal de caracteristicile materialului și de lungimea de undă de funcționare, de exemplu, rezonatoarele de siliciu care funcționează în banda de infraroșu apropiat 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 potențialelor lor aplicații în culoarea structurală, imagistica holografică, reglarea câmpului luminos și dispozitivele optoelectronice. Modul de reducere a grosimii rezonatoarelor plane 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 noi materiale informaționale cu stări de suprafață metalică și stări izolatoare protejate topologic. Starea de suprafață este protejată de simetria inversării timpului, iar electronii săi nu sunt împrăștiați de impurități nemagnetice, ceea ce are perspective importante de aplicare în calculul cuantic de putere redusă și dispozitivele spintronice. În același timp, materialele izolatoare topologice prezintă, de asemenea, proprietăți optice excelente, cum ar fi indicele de refracție ridicat, neliniar mare.opticcoeficient, spectru larg de lucru, reglabilitate, integrare ușoară etc., care oferă o nouă platformă pentru realizarea reglării luminii șidispozitive optoelectronice.
O echipă de cercetare din China a propus o metodă pentru fabricarea de rezonatoare optice ultra-subțiri prin utilizarea nanofilmelor izolatoare topologice cu telurura de bismut cu suprafață mare. Cavitatea optică prezintă caracteristici evidente de absorbție a rezonanței în banda de infraroșu apropiat. Telurura de bismut are un indice de refracție foarte mare de peste 6 în banda de comunicație optică (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 atinge o douăzecime din rezonanță. lungime de undă. 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 comunicare optică, 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 modificarea indicelui de refracție ambientală. Această lucrare deschide o nouă cale pentru realizarea cavității optice ultrasubțiri, reglarea spectrului materialului izolator topologic și dispozitivele optoelectronice.
După cum se arată în FIG. 1a și 1b, rezonatorul optic este compus în principal dintr-un izolator topologic cu teluriră de bismut și nanofilme de argint. Nanofilmele de telurură de bismut preparate prin pulverizare cu magnetron au o suprafață mare și o planeitate bună. Când grosimea filmelor de telură de bismut și argint este de 42 nm, respectiv 30 nm, cavitatea optică prezintă o absorbție puternică de rezonanță în banda de 1100 ~ 1800 nm (Figura 1c). Când cercetătorii au integrat această cavitate optică pe un cristal fotonic format din stive alternative de straturi de Ta2O5 (182 nm) și SiO2 (260 nm) (Figura 1e), o vale distinctă de absorbție (Figura 1f) a apărut în apropierea vârfului original de absorbție rezonantă (~ 1550 nm), care este similar cu efectul de transparență indus electromagnetic produs de sistemele atomice.

Materialul de telură de bismut a fost caracterizat prin microscopie electronică de transmisie și elipsometrie. SMOCHIN. 2a-2c prezintă micrografii electronice de transmisie (imagini de înaltă rezoluție) și modele de difracție a electronilor selectate ale nanofilmelor de teluriră de bismut. Din figură se poate observa 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 suprafeței montate și indicele de refracție complex de stare. 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 a altor materiale tradiționale cu indice de refracție ridicat din această bandă, care pune bazele pentru prepararea ultra -rezonatoare optice subtiri. Cercetătorii subliniază că aceasta este prima realizare raportată a unei cavități optice plane izolatoare topologice cu o grosime de doar zeci de nanometri în banda de comunicație optică. 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 structurile de nanocavitate/cristal fotonic telururii de bismut.

Prin pregătirea unor pelicule subțiri plate cu suprafață mare de izolatori topologici cu telură de bismut și profitând de indicele de refracție ultra-înalt al materialelor cu telură de bismut în banda apropiată de infraroșu, se obține o cavitate optică plană cu o grosime de numai zeci de nanometri. Cavitatea optică ultra-subțire poate realiza o absorbție eficientă a luminii rezonante în banda de infraroșu apropiat și are o valoare importantă de aplicare în dezvoltarea dispozitivelor optoelectronice în banda de comunicații optice. Grosimea cavității optice de telurură de bismut este liniară cu lungimea de undă rezonantă și este mai mică decât cea a cavității optice similare cu siliciu și germaniu. În același timp, cavitatea optică de telurură de bismut este integrată cu cristalul fotonic pentru a obține efectul optic anormal similar transparenței induse electromagnetic a sistemului atomic, care oferă o nouă metodă de reglare a spectrului de microstructură. Acest studiu joacă un anumit rol în promovarea cercetării materialelor izolatoare topologice în reglarea luminii și dispozitivele funcționale optice.