Optische communicatieband, ultradunne optische resonator

Optische communicatieband, ultradunne optische resonator
Optische resonatoren kunnen specifieke golflengten van lichtgolven in een beperkte ruimte lokaliseren en belangrijke toepassingen hebben bij lichtstattere interactie,optische communicatie, optische detectie en optische integratie. De grootte van de resonator hangt voornamelijk af van de materiaalkenmerken en de werkgolflengte, bijvoorbeeld, siliciumresonatoren die in de nabije infraroodband werken, vereisen meestal optische structuren van honderden nanometers en hoger. In de afgelopen jaren hebben ultradunne vlakke optische resonatoren veel aandacht getrokken vanwege hun potentiële toepassingen in structurele kleuren, holografische beeldvorming, lichtveldregulatie en opto-elektronische apparaten. Hoe de dikte van vlakke resonatoren te verminderen, is een van de moeilijke problemen waarmee onderzoekers worden geconfronteerd.
Anders dan traditionele halfgeleidermaterialen, zijn 3D -topologische isolatoren (zoals bismuth -telluride, antimoon telluride, bismut selenide, enz.) Nieuwe informatiematerialen met topologisch beschermde metaaloppervlaktetoestanden en isolatoren. De oppervlaktetoestand wordt beschermd door de symmetrie van tijdinversie en de elektronen zijn niet verspreid door niet-magnetische onzuiverheden, die belangrijke toepassingsperspectieven heeft bij kwantum computing met lage vermogens en spintronische apparaten. Tegelijkertijd vertonen topologische isolatiematerialen ook uitstekende optische eigenschappen, zoals hoge brekingsindex, grote niet -lineairoptischCoëfficiënt, breed werkende spectrumbereik, afstembaarheid, eenvoudige integratie, enz., Dat biedt een nieuw platform voor de realisatie van lichtregeling enopto -elektronische apparaten.
Een onderzoeksteam in China heeft een methode voorgesteld voor de fabricage van ultradunne optische resonatoren door het gebruik van een groot gebied groeiende bismuth telluride topologische isolator nanofilms. De optische holte vertoont duidelijke resonantieabsorptie -kenmerken in de nabije infraroodband. Bismuth telluride heeft een zeer hoge brekingsindex van meer dan 6 in de optische communicatieband (hoger dan de brekingsindex van traditionele hoge brekingsindexmaterialen zoals silicium en germanium), zodat de optische holte dikte een twintigste van de resonantiegolflengte kan bereiken. Tegelijkertijd wordt de optische resonator afgezet op een eendimensionaal fotonisch kristal, en een nieuw elektromagnetisch geïnduceerd transparantie-effect wordt waargenomen in de optische communicatieband, die te wijten is aan de koppeling van de resonator met het TAMM-plasmon en de vernietigende interferentie ervan. 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 manier voor de realisatie van ultrathin optische holte, topologische isolatiemateriaalspectrumregulatie en opto -elektronische apparaten.
Zoals getoond in Fig. 1A en 1B, de optische resonator bestaat voornamelijk uit een bismut -telluride -topologische isolator en zilveren nanofilms. De bismuth telluride nanofilms bereid door magnetron sputteren hebben een groot gebied en een goede vlakheid. Wanneer de dikte van de bismut -telluride- en zilverfilms respectievelijk 42 nm en 30 nm is, vertoont de optische holte een sterke resonantie -absorptie in de band van 1100 ~ 1800 nm (figuur 1C). Toen de onderzoekers deze optische holte integreerden in een fotonisch kristal gemaakt van afwisselende stapels Ta2O5 (182 nm) en SiO2 (260 nm) lagen (figuur 1E) (figuur 1E), verscheen een afzonderlijke absorptie -vallei (figuur 1F) in de buurt van de oorspronkelijke resonantiebordespiek (~ 1550 nm), die vergelijkbaar is met de elektromagnetisch geïnduceerde transparantiefeffect geproduceerd door atoomsystemen.

Het bismut -telluride -materiaal werd gekenmerkt door transmissie -elektronenmicroscopie en ellipsometrie. Fig. 2A-2C toont transmissie-elektronenmicrofoto's (afbeeldingen met hoge resolutie) en geselecteerde elektronendiffractiepatronen van bismuth-telluride nanofilms. Uit de figuur blijkt te worden dat de bereide bismut -telluride nanofilms polykristallijne materialen zijn en de belangrijkste groeioriëntatie is (015) kristalvlak. Figuur 2D-2F toont de complexe brekingsindex van bismut-telluride gemeten door ellipsometer en de gepaste oppervlaktetoestand en de complexe brekingsindex van de toestand. De resultaten tonen aan dat de uitstervencoëfficiënt van de oppervlaktetoestand groter is dan de brekingsindex in het bereik van 230 ~ 1930 nm, met metaalachtige kenmerken. 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 hoog-refractieve indexmaterialen in deze band, die een basis legt voor de bereiding van ultra-dunne optische resonatoren. De onderzoekers wijzen erop dat dit de eerste gerapporteerde realisatie is van een topologische isolator vlakke optische holte 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 bismut-telluride. Ten slotte wordt het effect van zilverfilmdikte op elektromagnetisch geïnduceerde transparantiespectra in bismuth telluride nanocavity/fotonische kristalstructuren onderzocht

Door het bereiden van een groot gebied platte dunne films van bismut-telluride-topologische isolatoren, en gebruik te maken van de ultrahoge brekingsindex van bismut-telluride-materialen in de nabije infraroodband, wordt een vlakke optische holte met een dikte van slechts tientallen nanometer verkregen. De ultradunne optische holte kan een efficiënte absorptie van resonantielicht in de nabije infraroodband realiseren en heeft een belangrijke applicatiewaarde bij de ontwikkeling van opto-elektronische apparaten in de optische communicatieband. De dikte van de bismut -telluride optische holte is lineair voor de resonantiegolflengte en is kleiner dan die van vergelijkbaar silicium- en germanium optische holte. Tegelijkertijd wordt de optische holte van Bismuth telluride geïntegreerd met fotonisch kristal om het afwijkende optische effect te bereiken vergelijkbaar met de elektromagnetisch geïnduceerde transparantie van het atoomsysteem, dat een nieuwe methode biedt voor de spectrumregulatie van microstructuur. Deze studie speelt een bepaalde rol bij het bevorderen van het onderzoek van topologische isolatiematerialen in lichtregulatie en optische functionele apparaten.