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 in 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 golflengte. Zo vereisen siliciumresonatoren die in het nabij-infrarood werken doorgaans optische structuren van honderden nanometers en groter. De laatste jaren hebben ultradunne planaire optische resonatoren veel aandacht getrokken vanwege hun potentiële toepassingen in structurele kleur, holografische beeldvorming, lichtveldregeling en opto-elektronische apparaten. Het verminderen van de dikte van planaire resonatoren is een van de lastige problemen waar onderzoekers voor staan.
Verschillend van traditionele halfgeleidermaterialen zijn 3D topologische isolatoren (zoals bismuttelluride, antimoontelleuride, bismutselenide, enz.) nieuwe informatiematerialen met topologisch beschermde metaaloppervlaktetoestanden en isolatortoestanden. De oppervlaktetoestand wordt beschermd door de symmetrie van tijdsinversie en de elektronen worden niet verstrooid door niet-magnetische onzuiverheden, wat belangrijke toepassingsmogelijkheden biedt in quantumcomputers met laag vermogen en spintronische apparaten. Tegelijkertijd vertonen topologische isolatormaterialen 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 met behulp van groeiende topologische isolator-nanofilms van bismuttelluride op grote schaal. De optische holte vertoont duidelijke resonantie-absorptiekarakteristieken in het nabij-infrarood. 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), waardoor de dikte van de optische holte een twintigste van de resonantiegolflengte kan bereiken. 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 te wijten is aan de koppeling van de resonator met het Tamm-plasmon en de destructieve interferentie ervan. De spectrale respons van dit effect is afhankelijk van de dikte van de optische resonator en is bestand tegen veranderingen in de omgevingsbrekingsindex. Dit werk opent een nieuwe weg voor de realisatie van ultradunne optische holtes, spectrumregeling van topologische isolatormaterialen en opto-elektronische apparaten.
Zoals weergegeven in Fig. 1a en 1b, bestaat de optische resonator voornamelijk uit een topologische isolator van bismuttelluride en zilvernanofilms. De door magnetronsputteren vervaardigde bismuttelluride-nanofilms 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 sterke resonantie-absorptie in de band van 1100-1800 nm (Figuur 1c). Toen de onderzoekers deze optische holte integreerden in een fotonisch kristal, bestaande uit afwisselende stapels van Ta2O5 (182 nm) en SiO2 (260 nm) lagen (Figuur 1e), ontstond een duidelijke absorptievallei (Figuur 1f) nabij de oorspronkelijke resonante absorptiepiek (~1550 nm), vergelijkbaar met het elektromagnetisch geïnduceerde transparantie-effect van atomaire systemen.

Het bismuttelluridemateriaal werd gekarakteriseerd met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie en ellipsometrie. Figuur 2a-2c toont transmissie-elektronenmicroscopie (beelden met hoge resolutie) en geselecteerde elektronendiffractiepatronen van bismuttelluride-nanofilms. Uit de figuur blijkt dat de bereide bismuttelluride-nanofilms polykristallijne materialen zijn, met de belangrijkste groeirichting in het kristalvlak (015). Figuur 2d-2f toont de complexe brekingsindex van bismuttelluride, gemeten met een ellipsometer, en de bijbehorende oppervlaktetoestand en de complexe brekingsindex van de toestand. De resultaten tonen aan dat de extinctiecoëfficiënt van de oppervlaktetoestand groter is dan de brekingsindex in het bereik van 230 tot 1930 nm, wat metaalachtige kenmerken vertoont. De brekingsindex van het lichaam is meer dan 6 bij een golflengte groter dan 1385 nm, wat veel hoger is dan die van silicium, germanium en andere traditionele materialen met een hoge brekingsindex in deze band, wat de basis legt voor de ontwikkeling van ultradunne optische resonatoren. De onderzoekers wijzen erop dat dit de eerste gerapporteerde realisatie is van een topologische isolator met een vlakke optische holte met een dikte van slechts enkele tientallen nanometers in de optische communicatieband. Vervolgens werden het absorptiespectrum en de resonantiegolflengte van de ultradunne optische holte gemeten met de dikte van bismuttelluride. Ten slotte werd het effect van de dikte van de zilverfilm op elektromagnetisch geïnduceerde transparantiespectra in bismuttelluride nanocaviteit/fotonische kristalstructuren onderzocht.

Door het maken van grote, vlakke, dunne films van topologische bismuttelluride-isolatoren en het benutten van de ultrahoge brekingsindex van bismuttelluridematerialen in het nabij-infrarood, wordt een vlakke optische holte met een dikte van slechts enkele tientallen nanometers verkregen. De ultradunne optische holte kan efficiënte resonante lichtabsorptie in het nabij-infrarood realiseren en heeft een belangrijke toepassingswaarde bij de ontwikkeling van opto-elektronische apparaten in de optische communicatieband. De dikte van de bismuttelluride-optische holte is lineair ten opzichte van de resonante golflengte en is kleiner dan die van vergelijkbare silicium- en germanium-optische holtes. Tegelijkertijd wordt de bismuttelluride-optische holte geïntegreerd met een fotonisch kristal om een ​​anomaal optisch effect te bereiken dat vergelijkbaar is met de elektromagnetisch geïnduceerde transparantie van het atomaire systeem, wat een nieuwe methode biedt voor de spectrumregulatie van de microstructuur. Deze studie speelt een belangrijke rol bij het bevorderen van het onderzoek naar topologische isolatormaterialen voor lichtregulatie en optische functionele apparaten.