Optički komunikacijski pojas, ultra tanak optički rezonator

Optički komunikacijski pojas, ultra tanak optički rezonator
Optički rezonatori mogu lokalizirati određene valne dužine svjetlosnih valova u ograničenom prostoru i imaju važnu primjenu u interakciji svjetlosti i materije,optička komunikacija, optički sensing i optička integracija. Veličina rezonatora uglavnom zavisi od karakteristika materijala i radne talasne dužine, na primer, silicijumski rezonatori koji rade u bliskom infracrvenom opsegu obično zahtevaju optičke strukture od stotina nanometara i više. Posljednjih godina ultratanki planarni optički rezonatori privukli su veliku pažnju zbog svoje potencijalne primjene u strukturalnim bojama, holografskom prikazu, regulaciji svjetlosnog polja i optoelektronskim 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.) su novi informacioni materijali sa topološki zaštićenim metalnim površinskim stanjima i stanjima izolatora. Površinsko stanje je zaštićeno simetrijom inverzije vremena, a njegovi elektroni nisu raspršeni nemagnetnim nečistoćama, što ima značajne izglede za primjenu u kvantnom računarstvu male snage i spintroničkim uređajima. U isto vrijeme, topološki izolatorski materijali također pokazuju odlična optička svojstva, kao što su visoki indeks loma, veliki nelinearnioptičkikoeficijent, široki radni spektar, podesivost, laka integracija itd., što pruža novu platformu za realizaciju regulacije svjetlosti ioptoelektronskih uređaja.
Istraživački tim u Kini predložio je metodu za proizvodnju ultratankih optičkih rezonatora korištenjem nanofilmova topološkog izolatora bizmuta telurida koji rastu velike površine. Optička šupljina pokazuje očigledne karakteristike apsorpcije rezonancije u bliskom infracrvenom opsegu. Bizmut telurid ima vrlo visok indeks loma veći od 6 u optičkom komunikacijskom pojasu (veći od indeksa loma tradicionalnih materijala s visokim indeksom loma kao što su silicijum i germanij), tako da debljina optičke šupljine može doseći jednu dvadesetinu rezonancije talasna dužina. Istovremeno, optički rezonator se taloži na jednodimenzionalni fotonski kristal, a u optičkom komunikacijskom pojasu se uočava novi elektromagnetski inducirani efekat transparentnosti, koji je posljedica spajanja rezonatora s Tammovim plazmonom i njegove destruktivne interferencije. . Spektralni odgovor ovog efekta ovisi o debljini optičkog rezonatora i otporan je na promjenu indeksa loma okoline. Ovaj rad otvara novi način za realizaciju ultratanke optičke šupljine, regulaciju spektra materijala topoloških izolatora i optoelektronskih uređaja.
Kao što je prikazano na Sl. 1a i 1b, optički rezonator se uglavnom sastoji od bizmut teluridnog topološkog izolatora i srebrnih nanofilmova. Nanofilmovi bizmut telurida pripremljeni magnetronskim raspršivanjem imaju veliku površinu i dobru ravnost. Kada je debljina filma bizmut telurida i srebra 42 nm, odnosno 30 nm, optička šupljina pokazuje jaku rezonantnu apsorpciju u opsegu od 1100 ~ 1800 nm (slika 1c). Kada su istraživači integrirali ovu optičku šupljinu u fotonski kristal sačinjen od naizmjeničnih naslaga slojeva Ta2O5 (182 nm) i SiO2 (260 nm) (slika 1e), u blizini originalnog vrha rezonantne apsorpcije pojavila se posebna apsorpciona dolina (slika 1f). 1550 nm), što je slično elektromagnetski indukovanom efektu transparentnosti koji proizvode atomski sistemi.

Materijal bizmut telurid okarakterisan je transmisijskom elektronskom mikroskopom i elipsometrijom. Fig. 2a-2c prikazuje transmisione elektronske mikrografije (slike visoke rezolucije) i odabrane obrasce 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 ravan. Slika 2d-2f prikazuje kompleksni indeks prelamanja bizmut telurida izmjeren elipsometrom i ugrađeno površinsko stanje i kompleksni indeks prelamanja stanja. Rezultati pokazuju da je koeficijent ekstinkcije površinskog stanja veći od indeksa prelamanja u rasponu od 230~1930 nm, pokazujući karakteristike slične metalu. Indeks prelamanja tela je veći od 6 kada je talasna dužina veća od 1385 nm, što je mnogo više od silicijuma, germanijuma i drugih tradicionalnih materijala sa visokim indeksom prelamanja u ovom pojasu, što postavlja temelj za pripremu ultra -tanki optički rezonatori. Istraživači ističu da je ovo prva prijavljena realizacija planarne optičke šupljine topološkog izolatora debljine samo desetine nanometara u optičkom komunikacijskom pojasu. Nakon toga, mjereni su apsorpcijski spektar i rezonantna talasna dužina ultra tanke optičke šupljine sa debljinom bizmut telurida. Konačno, istražen je utjecaj debljine srebrnog filma na elektromagnetski inducirane spektre prozirnosti u nanošupljinama/fotonskim kristalnim strukturama bizmuta telurida.

Pripremanjem velikih površina ravnih tankih filmova topoloških izolatora bizmut telurida i korišćenjem prednosti ultravisokog indeksa prelamanja materijala bizmut telurida u bliskom infracrvenom pojasu, dobija se ravna optička šupljina debljine samo desetine nanometara. Ultra-tanka optička šupljina može ostvariti efikasnu apsorpciju rezonantne svjetlosti u bliskom infracrvenom opsegu i ima važnu primjenu u razvoju optoelektronskih uređaja u optičkom komunikacijskom opsegu. Debljina optičke šupljine bizmut telurida je linearna u odnosu na rezonantnu talasnu dužinu i manja je od one slične optičke šupljine silikona i germanijuma. Istovremeno, optička šupljina telurida bizmuta je integrisana sa fotonskim kristalom kako bi se postigao anomalni optički efekat sličan elektromagnetski indukovanoj transparentnosti atomskog sistema, što obezbeđuje novu metodu za regulaciju spektra mikrostrukture. Ova studija igra određenu ulogu u promicanju istraživanja topoloških izolatorskih materijala u regulaciji svjetlosti i optičkim funkcionalnim uređajima.