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 bruksområder i lys-stoff-interaksjon,optisk kommunikasjon, optisk sensing og optisk integrasjon. Størrelsen på resonatoren avhenger hovedsakelig av materialegenskapene og driftsbølgelengden. For eksempel krever silisiumresonatorer som opererer i det nære infrarøde båndet vanligvis optiske strukturer på hundrevis av nanometer og over. I de senere år har ultratynne, plane optiske resonatorer fått mye oppmerksomhet på grunn av deres potensielle bruksområder innen strukturell farge, holografisk avbildning, lysfeltregulering og optoelektroniske enheter. Hvordan redusere tykkelsen på plane resonatorer er et av de vanskelige problemene forskere står overfor.
I motsetning til tradisjonelle halvledermaterialer er 3D topologiske isolatorer (som vismuttellurid, antimontellurid, vismutselenid osv.) 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 anvendelsesmuligheter innen kvanteberegning med lavt strømforbruk og spintroniske enheter. Samtidig viser topologiske isolatormaterialer også utmerkede optiske egenskaper, som høy brytningsindeks og stor ikke-lineær transformasjon.optiskkoeffisient, bredt arbeidsspektrumområde, avstemmbarhet, 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 nanofilmer av vismuttellurid topologisk isolator med stor arealvekst. Det optiske hulrommet viser tydelige 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 tjuendedel av resonansbølgelengden. Samtidig avsettes den optiske resonatoren på en endimensjonal fotonisk krystall, og en ny elektromagnetisk indusert transparenseffekt observeres i det optiske kommunikasjonsbåndet, som skyldes koblingen av resonatoren med Tamm-plasmonet og dens destruktive interferens. Den spektrale responsen til denne effekten avhenger av tykkelsen på den optiske resonatoren og er robust overfor endringer i den omgivende brytningsindeksen. Dette arbeidet åpner en ny måte for realisering av ultratynne optiske hulrom, spektrumregulering av topologisk isolasjonsmateriale og optoelektroniske enheter.
Som vist i FIG. 1a og 1b, består den optiske resonatoren hovedsakelig av en topologisk isolator av vismut-tellurid og sølv-nanofilmer. Vismut-tellurid-nanofilmene fremstilt ved magnetronsputtering har et stort areal og god flathet. Når tykkelsen på vismut-tellurid- og sølvfilmene er henholdsvis 42 nm og 30 nm, viser det optiske hulrommet sterk resonansabsorpsjon i båndet 1100~1800 nm (figur 1c). Da forskerne integrerte dette optiske hulrommet på en fotonisk krystall laget av alternerende stabler av Ta₂O₃- (182 nm) og SiO₂ (260 nm) lag (figur 1e), dukket det opp en tydelig absorpsjonsdal (figur 1f) nær den opprinnelige resonante absorpsjonstoppen (~1550 nm), som ligner på den elektromagnetisk induserte transparenseffekten produsert av atomsystemer.

Vismuttelluridmaterialet ble karakterisert ved hjelp av transmisjonselektronmikroskopi og ellipsometri. FIG. 2a-2c viser transmisjonselektronmikroskopibilder (bilder med høy oppløsning) og utvalgte elektrondiffraksjonsmønstre av vismuttellurid-nanofilmer. Det kan sees fra figuren at de fremstilte vismuttellurid-nanofilmene er polykrystallinske materialer, og hovedvekstorienteringen er (015) krystallplanet. Figur 2d-2f viser den komplekse brytningsindeksen til vismuttellurid målt med ellipsometer og den tilpassede overflatetilstanden og den komplekse brytningsindeksen. Resultatene viser at ekstinksjonskoeffisienten til overflatetilstanden er større enn brytningsindeksen i området 230~1930 nm, noe som viser metalllignende egenskaper. Brytningsindeksen til legemet er mer enn 6 når bølgelengden er større enn 1385 nm, noe som er mye høyere enn for silisium, germanium og andre tradisjonelle materialer med høy brytningsindeks i dette båndet, noe som legger grunnlaget for fremstilling av ultratynne optiske resonatorer. Forskerne påpeker at dette er den første rapporterte realiseringen av et topologisk isolator-planart 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 fremstille store, flate, tynne filmer av vismut-tellurid topologiske isolatorer, og ved å dra nytte av den ultrahøye brytningsindeksen til vismut-telluridmaterialer i det nær-infrarøde båndet, oppnås et plant optisk hulrom med en tykkelse på bare titalls nanometer. Det ultratynne optiske hulrommet kan oppnå effektiv resonant lysabsorpsjon i det nær-infrarøde båndet, og har viktig anvendelsesverdi i utviklingen av optoelektroniske enheter i det optiske kommunikasjonsbåndet. Tykkelsen på vismut-tellurid optiske hulrommet er lineær med resonansbølgelengden, og er mindre enn for lignende silisium- og germaniumoptiske hulrom. Samtidig er vismut-tellurid optiske hulrom integrert med fotoniske krystaller for å oppnå den anomale optiske effekten som ligner på den elektromagnetisk induserte transparensen i atomsystemet, noe som gir en ny metode for spektrumregulering av mikrostruktur. Denne studien spiller en viss rolle i å fremme forskningen på topologiske isolatormaterialer i lysregulering og optiske funksjonelle enheter.