Optisk kommunikasjonsband, Ultra-Thin Optical Resonator

Optisk kommunikasjonsband, Ultra-Thin Optical Resonator
Optiske resonatorer kan lokalisere spesifikke bølgelengder av lysbølger i et begrenset rom, og ha viktige applikasjoner i lys-materialinteraksjon,Optisk kommunikasjon, optisk sensing og optisk integrasjon. Størrelsen på resonatoren avhenger hovedsakelig av materialegenskapene og operasjonsbølgelengden, for eksempel krever silisiumresonatorer som opererer i det nær infrarøde båndet vanligvis optiske strukturer på hundrevis av nanometre og over. De siste årene har ultra-tynne plane optiske resonatorer vekket mye oppmerksomhet på grunn av deres potensielle anvendelser i strukturell farge, holografisk avbildning, lysfeltregulering og optoelektroniske enheter. Hvordan redusere tykkelsen på plane resonatorer er et av de vanskelige problemene som forskere står overfor.
Ulike fra tradisjonelle halvledermaterialer, er 3D -topologiske isolatorer (som vismut telluride, antimon telluride, vismuthelenid, etc.) nytt informasjonsmateriell med topologisk beskyttede metalloverflatetilstander og isolatortilstander. Overflatetilstanden er beskyttet av symmetrien for tidsinversjon, og elektronene er ikke spredt av ikke-magnetiske urenheter, som har viktige applikasjonsutsikter i kvantedatamaskiner med lav effekt og spintroniske enheter. Samtidig viser topologiske isolatormaterialer også utmerkede optiske egenskaper, for eksempel høy brytningsindeks, stor ikke -lineæroptiskKoeffisient, bredt arbeidsspektrumområde, avstemning, 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 ultra-tynne optiske resonatorer ved å bruke store områder som dyrker topologiske isolatorens nanofilmer. Det optiske hulrommet viser åpenbare resonansabsorpsjonsegenskaper i nær infrarødt bånd. Bismuth Telluride har en veldig høy brytningsindeks på mer enn 6 i det optiske kommunikasjonsbåndet (høyere enn brytningsindeksen for tradisjonelle høye brytningsindeksmaterialer som silisium og germanium), slik at den optiske hulromets tykkelse kan nå en tjueenet av resonansbølgelengden. Samtidig blir den optiske resonatoren avsatt på en endimensjonal fotonisk krystall, og en ny elektromagnetisk indusert transparenseffekt observeres i det optiske kommunikasjonsbåndet, som skyldes koblingen av resonatoren med Tamm Plasmon og dets destruktive interferens. Den spektrale responsen av denne effekten avhenger av tykkelsen på den optiske resonatoren og er robust for endringen av den omgivende brytningsindeksen. Dette arbeidet åpner for en ny måte for realisering av ultratin optisk hulrom, topologisk isolatormateriale spektrumregulering og optoelektroniske enheter.
Som vist i fig. 1A og 1B, den optiske resonatoren er hovedsakelig sammensatt av en topologisk isolator for vismut tellurid og sølv nanofilmer. Bismuth Telluride nanofilmer utarbeidet av Magnetron -sputtering har stort område og god flathet. Når tykkelsen på Bismuth Telluride og sølvfilmer er henholdsvis 42 nm og 30 nm, viser det optiske hulrommet sterk resonansabsorpsjon i båndet på 1100 ~ 1800 nm (figur 1C). Når forskerne integrerte dette optiske hulrommet på en fotonisk krystall laget av vekslende stabler av TA2O5 (182 nm) og SiO2 (260 nm) lag (figur 1E), dukket en distinkt absorpsjonsdal (figur 1F) i nærheten av den opprinnelige resonantabsorpsjonstoppen (~ 1550 nm), som er lignende.

Bismuthellingsmaterialet ble preget av transmisjonselektronmikroskopi og ellipsometri. Fig. 2A-2C viser transmisjonselektronmikrografer (bilder med høy oppløsning) og utvalgte elektrondiffraksjonsmønstre av vismut-telluride nanofilmer. Det kan sees fra figuren at de forberedte vismut -tellurid -nanofilmer er polykrystallinske materialer, og hovedvekstorienteringen er (015) krystallplan. Figur 2D-2F viser den komplekse brytningsindeksen for Bismuth Telluride målt med ellipsometer og den monterte overflatetilstanden og tilstandskomplekset brytningsindeksen. Resultatene viser at utryddelseskoeffisienten for overflatetilstanden er større enn brytningsindeksen i området 230 ~ 1930 nm, og viser metalllignende egenskaper. Brytningsindeksen for kroppen er mer enn 6 når bølgelengden er større enn 1385 nm, noe som er mye høyere enn for silisium, germanium og andre tradisjonelle høye raffrekt indeksmaterialer i dette båndet, som legger et grunnlag for fremstilling av ultra-tynne optiske resonatorer. Forskerne påpeker at dette er den første rapporterte realiseringen av et topologisk isolatorplanisk 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 på vismut tellurid. Til slutt blir effekten av sølvfilmtykkelse på elektromagnetisk indusert transparensspektre i vismut tellurid nanokavitet/fotoniske krystallstrukturer undersøkt

Ved å tilberede store områder med flate tynne filmer av topologiske isolatorer med vismut telluride, og dra nytte av den ultrahøye brytningsindeksen for vismut telluridmaterialer i nær infrarødt bånd, oppnås et plan optisk hulrom med en tykkelse på bare titalls nanometre. Det ultra-tynne optiske hulrommet kan realisere effektivt resonanslysabsorpsjon i det nær infrarøde båndet, og har viktig applikasjonsverdi i utviklingen av optoelektroniske enheter i det optiske kommunikasjonsbåndet. Tykkelsen på det optiske hulrommet Bismuth Telluride er lineær for resonansbølgelengden, og er mindre enn for lignende silisium og germanium optisk hulrom. Samtidig er Bismuth Telluride optisk hulrom integrert med fotonisk krystall for å oppnå den anomale optiske effekten som ligner på den elektromagnetisk induserte gjennomsiktigheten i atomsystemet, som gir en ny metode for spektrumregulering av mikrostruktur. Denne studien spiller en viss rolle i å fremme forskning av topologiske isolatormaterialer i lysregulering og optiske funksjonelle enheter.