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 communicatieOptische detectie en optische integratie spelen een belangrijke rol. De grootte van de resonator hangt voornamelijk af van de materiaaleigenschappen en de werkingsgolflengte. Zo vereisen siliciumresonatoren die in het nabij-infraroodgebied werken doorgaans optische structuren van honderden nanometers en meer. De laatste jaren hebben ultradunne planaire optische resonatoren veel aandacht gekregen vanwege hun potentiële toepassingen in structurele kleuring, holografische beeldvorming, lichtveldregulering en opto-elektronische apparaten. Het verminderen van de dikte van planaire resonatoren is een van de lastige problemen waar onderzoekers mee worstelen.
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 tijdsinversie en de elektronen worden niet verstrooid door niet-magnetische onzuiverheden, wat belangrijke toepassingsmogelijkheden biedt in energiezuinige kwantumcomputers en spintronische apparaten. Tegelijkertijd vertonen topologische isolatormaterialen ook uitstekende optische eigenschappen, zoals een hoge brekingsindex en een grote niet-lineaire polarisatie.optischecoëfficiënt, breed werkingsspectrum, afstembaarheid, eenvoudige integratie, enz., wat een nieuw platform biedt voor de realisatie van lichtregulering enopto-elektronische apparaten.
Een onderzoeksteam in China heeft een methode voorgesteld voor de fabricage van ultradunne optische resonatoren door gebruik te maken van grootschalige, op bismuttelluride gegroeide topologische isolator-nanofilms. De optische holte vertoont duidelijke resonantieabsorptiekarakteristieken in het nabij-infraroodgebied. 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. Dit effect is te danken aan de koppeling van de resonator met het Tamm-plasmon en de destructieve interferentie daarvan. De spectrale respons van dit effect is afhankelijk van de dikte van de optische resonator en is robuust ten opzichte van veranderingen in de omgevingsbrekingsindex. Dit werk opent een nieuwe weg voor de realisatie van ultradunne optische holtes, spectrumregulering van topologische isolatormaterialen en opto-elektronische apparaten.
Zoals weergegeven in Fig. 1a en 1b, bestaat de optische resonator hoofdzakelijk uit een topologische isolator van bismuttelluride en zilveren nanofilms. De bismuttelluride-nanofilms, bereid door middel van magnetron sputteren, 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 resonantieabsorptie 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 een duidelijke absorptiedal (Figuur 1f) nabij de oorspronkelijke resonantieabsorptiepiek (~1550 nm), wat vergelijkbaar is met het elektromagnetisch geïnduceerde transparantie-effect dat wordt geproduceerd door atomaire systemen.

Het bismuttelluride-materiaal werd gekarakteriseerd met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie en ellipsometrie. Figuur 2a-2c toont transmissie-elektronenmicroscopische beelden (hoge-resolutiebeelden) en geselecteerde elektronendiffractiepatronen van bismuttelluride-nanofilms. Uit de figuren blijkt dat de geprepareerde bismuttelluride-nanofilms polykristallijne materialen zijn en dat de belangrijkste groeiporiëntatie het (015) kristalvlak is. Figuur 2d-2f toont de complexe brekingsindex van bismuttelluride, gemeten met een ellipsometer, en de bijbehorende complexe brekingsindex van de oppervlaktetoestand. De resultaten laten zien dat de extinctiecoëfficiënt van de oppervlaktetoestand groter is dan de brekingsindex in het bereik van 230-1930 nm, wat duidt op metaalachtige eigenschappen. De brekingsindex van het materiaal is hoger dan 6 bij golflengten groter dan 1385 nm, wat veel hoger is dan die van silicium, germanium en andere traditionele materialen met een hoge brekingsindex in dit bereik. Dit vormt een basis voor de ontwikkeling van ultradunne optische resonatoren. De onderzoekers wijzen erop dat dit de eerste gerapporteerde realisatie is van een topologische isolator planaire 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 bij verschillende diktes van bismuttelluride. Ten slotte werd het effect van de dikte van de zilverfilm op de elektromagnetisch geïnduceerde transparantiespectra in bismuttelluride nanoholte/fotonische kristalstructuren onderzocht.

Door het prepareren van grote, vlakke, dunne films van topologische bismuttelluride-isolatoren en het benutten van de ultrahoge brekingsindex van bismuttelluride in het nabij-infraroodgebied, is een vlakke optische holte met een dikte van slechts enkele tientallen nanometer verkregen. Deze ultradunne optische holte maakt efficiënte resonante lichtabsorptie in het nabij-infraroodgebied mogelijk en heeft een belangrijke toepassingswaarde in de ontwikkeling van opto-elektronische apparaten in de optische communicatieband. De dikte van de bismuttelluride-optische holte is lineair evenredig met de resonantiegolflengte en is kleiner dan die van vergelijkbare silicium- en germanium-optische holtes. Tegelijkertijd is 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 atomaire systemen. Dit biedt een nieuwe methode voor spectrumregulering van microstructuren. Deze studie draagt ​​bij aan het bevorderen van onderzoek naar topologische isolatormaterialen voor lichtregulering en optische functionele apparaten.