Optički komunikacijski pojas, ultra tanki optički rezonator

Optički komunikacijski pojas, ultra tanki optički rezonator
Optički rezonatori mogu lokalizirati specifične valne duljine svjetlosnih valova u ograničenom prostoru i imaju važnu primjenu u interakciji svjetlosti i materije.optička komunikacija, optičko očitavanje i optička integracija. Veličina rezonatora uglavnom ovisi o karakteristikama materijala i radnoj valnoj duljini, na primjer, silicijski rezonatori koji rade u bliskom infracrvenom pojasu obično zahtijevaju optičke strukture od stotina nanometara i više. Posljednjih godina ultra tanki planarni optički rezonatori privukli su veliku pozornost zbog svojih potencijalnih primjena u strukturnim bojama, holografskom snimanju, regulaciji svjetlosnog polja i optoelektroničkim uređajima. Kako smanjiti debljinu planarnih rezonatora jedan je od teških problema s kojima se istraživači suočavaju.
Za razliku od tradicionalnih poluvodičkih materijala, 3D topološki izolatori (kao što su bizmut telurid, antimonov telurid, bizmut selenid itd.) su novi informacijski materijali s topološki zaštićenim metalnim površinskim stanjima i izolatorskim stanjima. Površinsko stanje je zaštićeno simetrijom vremenske inverzije, a njegovi elektroni se ne raspršuju nemagnetskim nečistoćama, što ima važne mogućnosti primjene u kvantnom računalstvu male snage i spintroničkim uređajima. Istovremeno, topološki izolatorski materijali također pokazuju izvrsna optička svojstva, kao što su visoki indeks loma, velika nelinearna...optičkikoeficijent, širok raspon radnog spektra, prilagodljivost, jednostavna integracija itd., što pruža novu platformu za realizaciju regulacije svjetlosti ioptoelektronički uređaji.
Istraživački tim u Kini predložio je metodu za izradu ultra tankih optičkih rezonatora korištenjem nanofilmova topološkog izolatora bizmutovog telurida velike površine. Optička šupljina pokazuje očite karakteristike rezonantne apsorpcije u bliskom infracrvenom pojasu. Bizmutov telurid ima vrlo visok indeks loma veći od 6 u optičkom komunikacijskom pojasu (viši od indeksa loma tradicionalnih materijala s visokim indeksom loma poput silicija i germanija), tako da debljina optičke šupljine može doseći jednu dvadesetinu rezonantne valne duljine. Istovremeno, optički rezonator se nanosi na jednodimenzionalni fotonski kristal, a u optičkom komunikacijskom pojasu opaža se novi elektromagnetski inducirani efekt prozirnosti, koji je posljedica spajanja rezonatora s Tammovim plazmonom i njegove destruktivne interferencije. Spektralni odziv ovog efekta ovisi o debljini optičkog rezonatora i otporan je na promjenu ambijentalnog indeksa loma. Ovaj rad otvara novi put za realizaciju ultra tanke optičke šupljine, regulaciju spektra topološkog izolatorskog materijala i optoelektroničke uređaje.
Kao što je prikazano na SL. 1a i 1b, optički rezonator se uglavnom sastoji od topološkog izolatora od bizmutovog telurida i srebrnih nanofilmova. Nanofilmovi od bizmutovog telurida pripremljeni magnetronskim raspršivanjem imaju veliku površinu i dobru ravnost. Kada je debljina filmova bizmutovog telurida i srebra 42 nm odnosno 30 nm, optička šupljina pokazuje snažnu rezonantnu apsorpciju u pojasu od 1100~1800 nm (Slika 1c). Kada su istraživači integrirali ovu optičku šupljinu na fotonski kristal napravljen od naizmjeničnih slojeva slojeva Ta2O5 (182 nm) i SiO2 (260 nm) (Slika 1e), pojavila se izrazita apsorpcijska dolina (Slika 1f) u blizini izvornog rezonantnog apsorpcijskog vrha (~1550 nm), što je slično elektromagnetski induciranom efektu prozirnosti koji proizvode atomski sustavi.

Materijal bizmutovog telurida karakteriziran je transmisijom elektronskom mikroskopijom i elipsometrijom. SL. 2a-2c prikazuju transmisijske elektronske mikrografije (slike visoke rezolucije) i odabrane elektronske difrakcijske uzorke nanofilmova bizmutovog telurida. Iz slike se može vidjeti da su pripremljeni nanofilmovi bizmutovog telurida polikristalni materijali, a glavna orijentacija rasta je kristalna ravnina (015). Slika 2d-2f prikazuje kompleksni indeks loma bizmutovog telurida izmjeren elipsometrom i prilagođeni indeks loma površinskog stanja i kompleksnog stanja. Rezultati pokazuju da je koeficijent ekstinkcije površinskog stanja veći od indeksa loma u rasponu od 230~1930 nm, pokazujući karakteristike slične metalu. Indeks loma tijela je veći od 6 kada je valna duljina veća od 1385 nm, što je znatno više od silicija, germanija i drugih tradicionalnih materijala s visokim indeksom loma u ovom pojasu, što postavlja temelje za pripremu ultratankih optičkih rezonatora. Istraživači ističu da je ovo prva prijavljena realizacija planarne optičke šupljine topološkog izolatora debljine samo nekoliko desetaka nanometara u optičkom komunikacijskom pojasu. Nakon toga, apsorpcijski spektar i rezonantna valna duljina ultratanke optičke šupljine izmjereni su s debljinom bizmutovog telurida. Konačno, istražuje se utjecaj debljine srebrnog filma na elektromagnetski inducirane spektre prozirnosti u nanošupljinama/fotonskim kristalnim strukturama bizmutovog telurida.

Pripremom tankih, ravnih filmova topoloških izolatora od bizmutovog telurida velike površine, te iskorištavanjem ultravisokog indeksa loma materijala od bizmutovog telurida u bliskom infracrvenom pojasu, dobiva se planarna optička šupljina debljine samo nekoliko desetaka nanometara. Ultratanka optička šupljina može ostvariti učinkovitu rezonantnu apsorpciju svjetlosti u bliskom infracrvenom pojasu i ima važnu primjenu u razvoju optoelektroničkih uređaja u optičkom komunikacijskom pojasu. Debljina optičke šupljine od bizmutovog telurida linearna je rezonantnoj valnoj duljini i manja je od debljine sličnih optičkih šupljina od silicija i germanija. Istovremeno, optička šupljina od bizmutovog telurida integrirana je s fotonskim kristalom kako bi se postigao anomalni optički efekt sličan elektromagnetski induciranoj prozirnosti atomskog sustava, što pruža novu metodu za regulaciju spektra mikrostrukture. Ova studija igra određenu ulogu u promicanju istraživanja topoloških izolatorskih materijala u regulaciji svjetlosti i optičkim funkcionalnim uređajima.