Optički komunikacijski pojas, ultratanki optički rezonator

Optički komunikacijski pojas, ultratanki 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 svoje potencijalne primjene u strukturnim bojama, holografskim slikama, regulaciji svjetlosnog polja i optoelektroničkim uređajima. Kako smanjiti debljinu planarnih rezonatora jedan je od teških problema s kojima se suočavaju istraživači.
Za razliku od tradicionalnih poluvodičkih materijala, 3D topološki izolatori (kao što su bizmut telurid, antimon telurid, bizmut selenid, itd.) novi su informacijski materijali s topološki zaštićenim površinskim stanjima metala i stanjima izolatora. Površinsko stanje je zaštićeno simetrijom vremenske inverzije, a njegovi elektroni nisu raspršeni nemagnetskim nečistoćama, što ima važne izglede za primjenu u kvantnom računalstvu male snage i spintroničkim uređajima. U isto vrijeme, topološki izolacijski materijali također pokazuju izvrsna optička svojstva, kao što su visok indeks loma, veliki nelinearnioptičkikoeficijent, širok raspon radnog spektra, mogućnost podešavanja, laka integracija itd., što pruža novu platformu za realizaciju regulacije svjetla ioptoelektronički uređaji.
Istraživački tim u Kini predložio je metodu za izradu ultratankih optičkih rezonatora korištenjem nanofilmova topoloških izolatora bizmut telurida koji rastu na velikim površinama. Optička šupljina pokazuje očite karakteristike apsorpcije rezonancije u bliskom infracrvenom pojasu. Bizmut telurid ima vrlo visok indeks loma veći od 6 u pojasu optičke komunikacije (viši od indeksa loma tradicionalnih materijala s visokim indeksom loma kao što su silicij i germanij), tako da debljina optičke šupljine može doseći jednu dvadesetinu rezonancije. valna duljina. U isto vrijeme, optički rezonator se taloži na jednodimenzionalni fotonski kristal, a novi elektromagnetski inducirani efekt prozirnosti opaža se u optičkom komunikacijskom pojasu, koji je posljedica sprege rezonatora s Tammovim plazmonom i njegove destruktivne interferencije . Spektralni odziv ovog efekta ovisi o debljini optičkog rezonatora i otporan je na promjenu indeksa loma okoline. Ovaj rad otvara novi put za realizaciju ultratanke optičke šupljine, regulacije spektra materijala topoloških izolatora i optoelektroničkih uređaja.
Kao što je prikazano na Sl. 1a i 1b, optički rezonator se uglavnom sastoji od topološkog izolatora bizmut telurida i srebrnih nanofilmova. Nanofilmovi bizmut telurida pripremljeni magnetronskim raspršivanjem imaju veliku površinu i dobru ravnost. Kada je debljina filmova bizmut telurida i srebra 42 nm, odnosno 30 nm, optička šupljina pokazuje jaku rezonantnu apsorpciju u pojasu od 1100~1800 nm (Slika 1c). Kad su istraživači integrirali ovu optičku šupljinu na fotonski kristal napravljen od izmjeničnih slojeva Ta2O5 (182 nm) i SiO2 (260 nm) slojeva (Slika 1e), pojavila se jasna apsorpcijska dolina (Slika 1f) u blizini izvornog rezonantnog apsorpcijskog vrha (~ 1550 nm), što je slično elektromagnetski induciranom efektu prozirnosti koji proizvode atomski sustavi.

Materijal bizmut telurida karakteriziran je transmisijskom elektronskom mikroskopijom i elipsometrijom. SLIKA 2a-2c prikazuje prijenosne elektronske mikrografije (slike visoke rezolucije) i odabrane uzorke difrakcije elektrona nanofilmova bizmut telurida. Sa slike se može vidjeti da su pripremljeni nanofilmovi bizmut telurida polikristalni materijali, a glavna orijentacija rasta je (015) kristalna ravnina. Slika 2d-2f prikazuje kompleksni indeks loma bizmutovog telurida izmjeren elipsometrom i prilagođeno stanje površine i stanje kompleksnog indeksa loma. Rezultati pokazuju da je koeficijent ekstinkcije površinskog stanja veći od indeksa loma u rasponu od 230~1930 nm, pokazujući svojstva slična metalu. Indeks loma tijela veći je od 6 kada je valna duljina veća od 1385 nm, što je puno više od indeksa silicija, germanija i drugih tradicionalnih materijala s visokim indeksom loma u ovom pojasu, što postavlja temelje za pripremu ultra -tanki optički rezonatori. Istraživači ističu da je ovo prva prijavljena realizacija topološke izolatorske planarne optičke šupljine s debljinom od 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 učinak debljine srebrnog filma na elektromagnetski inducirane spektre prozirnosti u strukturama nanošupljina/fotonskih kristala bizmut telurida

Pripremom ravnih tankih filmova velike površine topoloških izolatora bizmut telurida i iskorištavanjem prednosti ultravisokog indeksa loma materijala bizmut telurida u bliskom infracrvenom pojasu, dobiva se planarna optička šupljina debljine od samo nekoliko desetaka nanometara. Ultra-tanka optička šupljina može ostvariti učinkovitu rezonantnu apsorpciju svjetlosti u bliskom infracrvenom pojasu i ima važnu primjensku vrijednost u razvoju optoelektroničkih uređaja u optičkom komunikacijskom pojasu. Debljina optičke šupljine bizmut telurida je linearna prema rezonantnoj valnoj duljini i manja je od debljine slične optičke šupljine od silicija i germanija. U isto vrijeme, optička šupljina bizmut telurida integrirana je s fotonskim kristalom kako bi se postigao anomalan optički učinak sličan elektromagnetski induciranoj prozirnosti atomskog sustava, što pruža novu metodu za regulaciju spektra mikrostrukture. Ova studija igra određenu ulogu u promicanju istraživanja topoloških izolacijskih materijala u regulaciji svjetla i optičkim funkcionalnim uređajima.