Optički komunikacijski pojas, ultra tanki optički rezonator

Optički komunikacijski pojas, ultra tanki optički rezonator
Optički rezonatori mogu lokalizovati specifične talasne dužine svetlosnih talasa u ograničenom prostoru i imaju važnu primenu u interakciji svetlosti i materije.optička komunikacija, optičko očitavanje i optička integracija. Veličina rezonatora uglavnom zavisi od karakteristika materijala i radne talasne dužine, na primjer, silicijumski rezonatori koji rade u bliskom infracrvenom opsegu obično zahtijevaju optičke strukture od stotina nanometara i više. Posljednjih godina, ultra tanki planarni optički rezonatori privukli su veliku pažnju zbog svojih potencijalnih primjena u strukturnim bojama, holografskom snimanju, regulaciji svjetlosnog polja i optoelektronskim uređajima. Kako smanjiti debljinu planarnih rezonatora jedan je od teških problema s kojima se istraživači suočavaju.
Za razliku od tradicionalnih poluprovodničkih materijala, 3D topološki izolatori (kao što su bizmut telurid, antimon telurid, bizmut selenid itd.) su novi informacioni materijali sa topološki zaštićenim površinskim stanjima metala i izolatorskim stanjima. Površinsko stanje je zaštićeno simetrijom vremenske inverzije, a njegovi elektroni se ne raspršuju na nemagnetnim nečistoćama, što ima važne mogućnosti primjene u kvantnim računarstvima male snage i spintroničkim uređajima. Istovremeno, topološki izolatorski materijali također pokazuju odlična optička svojstva, kao što su visok indeks prelamanja, velika nelinearna...optičkikoeficijent, širok raspon radnog spektra, mogućnost podešavanja, jednostavna integracija itd., što pruža novu platformu za realizaciju regulacije svjetlosti ioptoelektronski uređaji.
Istraživački tim u Kini predložio je metodu za izradu ultra tankih optičkih rezonatora korištenjem nanofilmova topološkog izolatora od bizmut telurida velike površine. Optička šupljina pokazuje očigledne karakteristike rezonantne apsorpcije u bliskom infracrvenom pojasu. Bizmut telurid ima vrlo visok indeks prelamanja, veći od 6, u optičkom komunikacijskom pojasu (viši od indeksa prelamanja tradicionalnih materijala s visokim indeksom prelamanja poput silicija i germanija), tako da debljina optičke šupljine može doseći jednu dvadesetinu rezonantne valne dužine. Istovremeno, optički rezonator se nanosi na jednodimenzionalni fotonski kristal, a u optičkom komunikacijskom pojasu uočava se novi elektromagnetski inducirani efekt prozirnosti, koji je posljedica spajanja rezonatora s Tammovim plazmonom i njegove destruktivne interferencije. Spektralni odziv ovog efekta ovisi o debljini optičkog rezonatora i otporan je na promjenu ambijentalnog indeksa prelamanja. Ovaj rad otvara novi način za realizaciju ultra tanke optičke šupljine, regulaciju spektra topološkog izolatorskog materijala i optoelektronske uređaje.
Kao što je prikazano na slikama 1a i 1b, optički rezonator se uglavnom sastoji od topološkog izolatora od bizmutovog telurida i srebrnih nanofilmova. Nanofilmovi od bizmutovog telurida pripremljeni magnetronskim raspršivanjem imaju veliku površinu i dobru ravnost. Kada je debljina filmova bizmutovog telurida i srebra 42 nm i 30 nm, respektivno, optička šupljina pokazuje jaku rezonantnu apsorpciju u opsegu od 1100~1800 nm (Slika 1c). Kada su istraživači integrirali ovu optičku šupljinu na fotonski kristal napravljen od naizmjeničnih slojeva Ta2O5 (182 nm) i SiO2 (260 nm) (Slika 1e), pojavila se izrazita apsorpcijska dolina (Slika 1f) u blizini originalnog rezonantnog apsorpcijskog vrha (~1550 nm), što je slično elektromagnetski indukovanom efektu prozirnosti koji proizvode atomski sistemi.

Materijal bizmutovog telurida karakteriziran je transmisijskom elektronskom mikroskopijom i elipsometrijom. SLIKE 2a-2c prikazuju transmisijske elektronske mikrografije (slike visoke rezolucije) i odabrane elektronske difrakcijske obrasce nanofilmova bizmutovog telurida. Iz slike se može vidjeti da su pripremljeni nanofilmovi bizmutovog telurida polikristalni materijali, a glavna orijentacija rasta je kristalna ravan (015). Slike 2d-2f prikazuju kompleksni indeks prelamanja bizmutovog telurida izmjeren elipsometrom i prilagođeni indeks prelamanja površinskog stanja i kompleksnog 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 tijela 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 opsegu, što postavlja temelje za pripremu ultra tankih optičkih rezonatora. Istraživači ističu da je ovo prva prijavljena realizacija planarne optičke šupljine topološkog izolatora debljine samo nekoliko desetina nanometara u optičkom komunikacijskom opsegu. Nakon toga, apsorpcioni spektar i rezonantna talasna dužina ultra tanke optičke šupljine su izmjereni sa debljinom bizmut telurida. Konačno, istražen je uticaj debljine srebrnog filma na elektromagnetno indukovane spektre prozirnosti u nanošupljinama/fotonskim kristalnim strukturama bizmut telurida.

Pripremom tankih filmova topoloških izolatora od bizmutovog telurida velike površine, i korištenjem ultra visokog indeksa prelamanja materijala od bizmutovog telurida u bliskom infracrvenom opsegu, dobija se planarna optička šupljina debljine samo nekoliko desetina nanometara. Ultratanka optička šupljina može ostvariti efikasnu rezonantnu apsorpciju svjetlosti u bliskom infracrvenom opsegu i ima važnu primjenu u razvoju optoelektronskih uređaja u optičkom komunikacijskom opsegu. Debljina optičke šupljine od bizmutovog telurida je linearna rezonantnoj talasnoj dužini i manja je od debljine sličnih optičkih šupljina od silicija i germanijuma. Istovremeno, optička šupljina od bizmutovog telurida je integrisana sa fotonskim kristalom kako bi se postigao anomalni optički efekat sličan elektromagnetno indukovanoj prozirnosti atomskog sistema, što pruža novu metodu za regulaciju spektra mikrostrukture. Ova studija igra određenu ulogu u promovisanju istraživanja topoloških izolatorskih materijala u regulaciji svjetlosti i optičkim funkcionalnim uređajima.