Optische communicatieband, ultradunne optische resonator

Optische communicatieband, ultradunne optische resonator
Optische resonatoren kunnen specifieke golflengten van lichtgolven in een beperkte ruimte lokaliseren en hebben belangrijke toepassingen bij de interactie tussen licht en materie.optische communicatie, optische detectie en optische integratie. De grootte van de resonator hangt voornamelijk af van de materiaaleigenschappen en de bedrijfsgolflengte. Zo vereisen siliciumresonatoren die in de nabij-infraroodband werken gewoonlijk optische structuren van honderden nanometers en meer. De afgelopen jaren hebben ultradunne planaire optische resonatoren veel aandacht getrokken vanwege hun potentiële toepassingen in structurele kleuren, holografische beeldvorming, lichtveldregulering en opto-elektronische apparaten. Het verminderen van de dikte van vlakke resonatoren is een van de moeilijke problemen waarmee onderzoekers worden geconfronteerd.
Anders dan traditionele halfgeleidermaterialen zijn 3D-topologische isolatoren (zoals bismuttelluride, antimoontelluride, bismutselenide, enz.) nieuwe informatiematerialen met topologisch beschermde metaaloppervlaktoestanden en isolatortoestanden. De oppervlaktetoestand wordt beschermd door de symmetrie van tijdinversie, en de elektronen worden niet verstrooid door niet-magnetische onzuiverheden, wat belangrijke toepassingsperspectieven heeft in kwantumcomputers met laag vermogen en spintronische apparaten. Tegelijkertijd vertonen topologische isolatiematerialen ook uitstekende optische eigenschappen, zoals een hoge brekingsindex, grote niet-lineaireoptischcoëfficiënt, breed werkspectrumbereik, afstembaarheid, eenvoudige integratie, enz., wat een nieuw platform biedt voor de realisatie van lichtregeling enopto-elektronische apparaten.
Een onderzoeksteam in China heeft een methode voorgesteld voor de fabricage van ultradunne optische resonatoren door gebruik te maken van op grote schaal groeiende bismuttelluride topologische isolatornanofilms. De optische holte vertoont duidelijke resonantie-absorptiekarakteristieken in de nabij-infrarode band. Bismuttelluride heeft een zeer hoge brekingsindex van meer dan 6 in de optische communicatieband (hoger dan de brekingsindex van traditionele materialen met een hoge brekingsindex zoals silicium en germanium), zodat de dikte van de optische holte een twintigste van de resonantie kan bereiken. golflengte. Tegelijkertijd wordt de optische resonator afgezet op een eendimensionaal fotonisch kristal en wordt een nieuw elektromagnetisch geïnduceerd transparantie-effect waargenomen in de optische communicatieband, dat het gevolg is van de koppeling van de resonator met het Tamm-plasmon en zijn destructieve interferentie. . De spectrale respons van dit effect hangt af van de dikte van de optische resonator en is robuust voor de verandering van de omgevingsbrekingsindex. Dit werk opent een nieuwe weg voor de realisatie van ultradunne optische holtes, spectrumregulering van topologisch isolatiemateriaal en opto-elektronische apparaten.
Zoals getoond in FIG. La en 1b bestaat de optische resonator hoofdzakelijk uit een bismuttelluride topologische isolator en zilveren nanofilms. De bismuttelluride-nanofilms vervaardigd door magnetronsputteren hebben een groot oppervlak en een goede vlakheid. Wanneer de dikte van de bismuttelluride- en zilverfilms respectievelijk 42 nm en 30 nm bedraagt, vertoont de optische holte een sterke resonantie-absorptie in de band van 1100 ~ 1800 nm (Figuur 1c). Toen de onderzoekers deze optische holte integreerden op een fotonisch kristal gemaakt van afwisselende stapels Ta2O5 (182 nm) en SiO2 (260 nm) lagen (Figuur 1e), verscheen er een duidelijk absorptiedal (Figuur 1f) nabij de oorspronkelijke resonante absorptiepiek (~ 1550 nm), wat vergelijkbaar is met het elektromagnetisch geïnduceerde transparantie-effect geproduceerd door atomaire systemen.

Het bismuttelluridemateriaal werd gekarakteriseerd door transmissie-elektronenmicroscopie en ellipsometrie. AFB. Figuren 2a-2c tonen transmissie-elektronenmicrofoto's (afbeeldingen met hoge resolutie) en geselecteerde elektronendiffractiepatronen van bismuttelluride-nanofilms. Uit de figuur blijkt dat de bereide bismuttelluride-nanofilms polykristallijne materialen zijn, en dat de belangrijkste groeioriëntatie het (015) kristalvlak is. Figuur 2d-2f toont de complexe brekingsindex van bismuttelluride gemeten door een ellipsometer en de aangepaste oppervlaktetoestand en de complexe brekingsindex van de toestand. De resultaten laten zien dat de uitdovingscoëfficiënt van de oppervlaktetoestand groter is dan de brekingsindex in het bereik van 230 ~ 1930 nm, wat metaalachtige kenmerken vertoont. De brekingsindex van het lichaam is meer dan 6 wanneer de golflengte groter is dan 1385 nm, wat veel hoger is dan die van silicium, germanium en andere traditionele materialen met een hoge brekingsindex in deze band, die een basis legt voor de voorbereiding van ultra -dunne optische resonatoren. De onderzoekers wijzen erop dat dit de eerste gerapporteerde realisatie is van een vlakke optische holte met een topologische isolator met een dikte van slechts tientallen nanometers in de optische communicatieband. Vervolgens werden het absorptiespectrum en de resonantiegolflengte van de ultradunne optische holte gemeten met de dikte van bismuttelluride. Tenslotte wordt het effect van de dikte van de zilverfilm op elektromagnetisch geïnduceerde transparantiespectra in bismuttelluride nanocaviteit/fotonische kristalstructuren onderzocht.

Door het vervaardigen van platte dunne films met een groot oppervlak van topologische isolatoren van bismuttelluride, en door gebruik te maken van de ultrahoge brekingsindex van bismuttelluridematerialen in de nabij-infrarode band, wordt een vlakke optische holte met een dikte van slechts tientallen nanometers verkregen. De ultradunne optische holte kan efficiënte resonante lichtabsorptie in de nabij-infrarode band realiseren en heeft een belangrijke toepassingswaarde bij de ontwikkeling van opto-elektronische apparaten in de optische communicatieband. De dikte van de optische holte van bismuttelluride is lineair met de resonante golflengte, en is kleiner dan die van vergelijkbare optische holtes van silicium en germanium. Tegelijkertijd wordt de optische holte van bismuttelluride geïntegreerd met fotonisch kristal om het abnormale optische effect te bereiken dat vergelijkbaar is met de elektromagnetisch geïnduceerde transparantie van het atomaire systeem, wat een nieuwe methode biedt voor de spectrumregulering van de microstructuur. Deze studie speelt een bepaalde rol bij het bevorderen van het onderzoek naar topologische isolatiematerialen in lichtregulatie en optische functionele apparaten.