Optisk kommunikasjonsbånd, ultratynn optisk resonator

Optisk kommunikasjonsbånd, ultratynn optisk resonator
Optiske resonatorer kan lokalisere spesifikke bølgelengder av lysbølger i et begrenset rom, og har viktige anvendelser i lys-materie-interaksjon,optisk kommunikasjon, optisk sensing og optisk integrasjon. Størrelsen på resonatoren avhenger hovedsakelig av materialkarakteristikkene og driftsbølgelengden, for eksempel krever silisiumresonatorer som opererer i det nære infrarøde båndet vanligvis optiske strukturer på hundrevis av nanometer og over. De siste årene har ultratynne plane optiske resonatorer tiltrukket seg mye oppmerksomhet på grunn av deres potensielle anvendelser innen strukturell farge, holografisk avbildning, lysfeltregulering og optoelektroniske enheter. Hvordan redusere tykkelsen på planresonatorer er et av de vanskelige problemene forskerne står overfor.
Til forskjell fra tradisjonelle halvledermaterialer er 3D-topologiske isolatorer (som vismuttellurid, antimontellurid, vismutselenid, etc.) nye informasjonsmaterialer med topologisk beskyttede metalloverflatetilstander og isolatortilstander. Overflatetilstanden er beskyttet av symmetrien til tidsinversjon, og elektronene spres ikke av ikke-magnetiske urenheter, noe som har viktige bruksmuligheter i laveffekt kvantedatabehandling og spintroniske enheter. Samtidig viser topologiske isolatormaterialer også utmerkede optiske egenskaper, for eksempel høy brytningsindeks, stor ikke-lineæroptiskkoeffisient, bredt arbeidsspekterområde, tunbarhet, enkel integrasjon, etc., som gir en ny plattform for realisering av lysregulering ogoptoelektroniske enheter.
Et forskerteam i Kina har foreslått en metode for fremstilling av ultratynne optiske resonatorer ved å bruke vismuttellurid-topologiske nanofilmer som vokser i stort område. Det optiske hulrommet viser åpenbare resonansabsorpsjonsegenskaper i nær infrarødt bånd. Vismuttellurid har en veldig høy brytningsindeks på mer enn 6 i det optiske kommunikasjonsbåndet (høyere enn brytningsindeksen til tradisjonelle materialer med høy brytningsindeks som silisium og germanium), slik at tykkelsen på det optiske hulrommet kan nå en tyvendedel av resonansen bølgelengde. Samtidig avsettes den optiske resonatoren på en endimensjonal fotonisk krystall, og en ny elektromagnetisk indusert gjennomsiktighetseffekt observeres i det optiske kommunikasjonsbåndet, noe som skyldes koblingen av resonatoren med Tamm-plasmonen og dens destruktive interferens. . Den spektrale responsen til denne effekten avhenger av tykkelsen på den optiske resonatoren og er robust overfor endringen i omgivelsesbrytningsindeksen. Dette arbeidet åpner for en ny måte for realisering av ultratynt optisk hulrom, topologisk isolatormaterialspektrumregulering og optoelektroniske enheter.
Som vist i fig. 1a og 1b er den optiske resonatoren hovedsakelig sammensatt av en vismuttellurid topologisk isolator og sølv nanofilmer. Vismuttellurid nanofilmene fremstilt ved magnetronsputtering har stort område og god flathet. Når tykkelsen på vismuttellurid- og sølvfilmene er henholdsvis 42 nm og 30 nm, viser det optiske hulrommet sterk resonansabsorpsjon i båndet på 1100 ~ 1800 nm (Figur 1c). Da forskerne integrerte dette optiske hulrommet på en fotonisk krystall laget av alternerende stabler av Ta2O5 (182 nm) og SiO2 (260 nm) lag (Figur 1e), dukket det opp en distinkt absorpsjonsdal (Figur 1f) nær den opprinnelige resonansabsorpsjonstoppen (~ 1550 nm), som ligner på den elektromagnetisk induserte gjennomsiktighetseffekten produsert av atomsystemer.

Vismuttelluridmaterialet ble karakterisert ved transmisjonselektronmikroskopi og ellipsometri. FIG. 2a-2c viser transmisjonselektronmikrofotografier (bilder med høy oppløsning) og utvalgte elektrondiffraksjonsmønstre av vismuttellurid nanofilmer. Det kan sees fra figuren at de preparerte vismuttellurid nanofilmene er polykrystallinske materialer, og hovedvekstorienteringen er (015) krystallplan. Figur 2d-2f viser den komplekse brytningsindeksen til vismuttellurid målt med ellipsometer og den tilpassede overflatetilstanden og tilstandskomplekse brytningsindeksen. Resultatene viser at ekstinksjonskoeffisienten til overflatetilstanden er større enn brytningsindeksen i området 230~1930 nm, og viser metalllignende egenskaper. Kroppens brytningsindeks er mer enn 6 når bølgelengden er større enn 1385 nm, som er mye høyere enn for silisium, germanium og andre tradisjonelle materialer med høy brytningsindeks i dette båndet, som legger grunnlaget for fremstilling av ultra -tynne optiske resonatorer. Forskerne påpeker at dette er den første rapporterte realiseringen av en topologisk isolator, plan optisk hulrom med en tykkelse på bare titalls nanometer i det optiske kommunikasjonsbåndet. Deretter ble absorpsjonsspekteret og resonansbølgelengden til det ultratynne optiske hulrommet målt med tykkelsen av vismuttellurid. Til slutt undersøkes effekten av sølvfilmtykkelse på elektromagnetisk induserte transparensspektre i vismuttellurid nanokavitet/fotoniske krystallstrukturer

Ved å forberede store flate tynne filmer av vismuttellurid topologiske isolatorer, og dra nytte av den ultrahøye brytningsindeksen til vismuttelluridmaterialer i nær infrarødt bånd, oppnås et plant optisk hulrom med en tykkelse på bare titalls nanometer. Det ultratynne optiske hulrommet kan realisere effektiv resonanslysabsorpsjon i det nære infrarøde båndet, og har viktig bruksverdi i utviklingen av optoelektroniske enheter i det optiske kommunikasjonsbåndet. Tykkelsen av det optiske vismuttelluridhulrommet er lineært i forhold til resonansbølgelengden, og er mindre enn tilsvarende optisk hulrom av silisium og germanium. Samtidig er vismuttellurid optisk hulrom integrert med fotonisk krystall for å oppnå den uregelmessige optiske effekten som ligner den elektromagnetisk induserte gjennomsiktigheten av atomsystemet, som gir en ny metode for spektrumregulering av mikrostruktur. Denne studien spiller en viss rolle i å fremme forskning på topologiske isolatormaterialer i lysregulering og optiske funksjonelle enheter.