Optisk kommunikationsbånd, ultratynd optisk resonator

Optisk kommunikationsbånd, ultratynd optisk resonator
Optiske resonatorer kan lokalisere specifikke bølgelængder af lysbølger i et begrænset rum og har vigtige anvendelser i lys-stof-interaktion,optisk kommunikation, optisk registrering og optisk integration. Resonatorens størrelse afhænger hovedsageligt af materialets egenskaber og driftsbølgelængden. For eksempel kræver siliciumresonatorer, der opererer i det nære infrarøde bånd, normalt optiske strukturer på hundredvis af nanometer og derover. I de senere år har ultratynde, plane optiske resonatorer tiltrukket sig stor opmærksomhed på grund af deres potentielle anvendelser inden for strukturel farve, holografisk billeddannelse, lysfeltregulering og optoelektroniske enheder. Hvordan man reducerer tykkelsen af ​​plane resonatorer er et af de vanskelige problemer, som forskere står over for.
I modsætning til traditionelle halvledermaterialer er 3D topologiske isolatorer (såsom bismuth-tellurid, antimontellurid, bismuth-selenid osv.) nye informationsmaterialer med topologisk beskyttede metaloverfladetilstande og isolatortilstande. Overfladetilstanden er beskyttet af symmetrien af ​​tidsinversion, og dens elektroner spredes ikke af ikke-magnetiske urenheder, hvilket har vigtige anvendelsesmuligheder inden for kvanteberegning med lavt strømforbrug og spintroniske enheder. Samtidig udviser topologiske isolatormaterialer også fremragende optiske egenskaber, såsom højt brydningsindeks, stor ikke-lineær spænding.optiskkoefficient, bredt arbejdsspektrumområde, justerbarhed, nem integration osv., hvilket giver en ny platform til realisering af lysregulering ogoptoelektroniske enheder.
Et forskerhold i Kina har foreslået en metode til fremstilling af ultratynde optiske resonatorer ved hjælp af nanofilm af bismuth-tellurid topologisk isolator med stor arealvækst. Det optiske hulrum viser tydelige resonansabsorptionsegenskaber i det nær-infrarøde bånd. Bismuth-tellurid har et meget højt brydningsindeks på mere end 6 i det optiske kommunikationsbånd (højere end brydningsindekset for traditionelle materialer med højt brydningsindeks såsom silicium og germanium), således at det optiske hulrums tykkelse kan nå en tyvendedel af resonansbølgelængden. Samtidig aflejres den optiske resonator på en endimensionel fotonisk krystal, og en ny elektromagnetisk induceret transparenseffekt observeres i det optiske kommunikationsbånd, hvilket skyldes koblingen af ​​resonatoren med Tamm-plasmonet og dets destruktive interferens. Den spektrale respons af denne effekt afhænger af tykkelsen af ​​den optiske resonator og er robust over for ændringer i det omgivende brydningsindeks. Dette arbejde åbner en ny vej for realisering af ultratynde optiske hulrum, spektrumregulering af topologiske isolatormaterialer og optoelektroniske enheder.
Som vist i FIG. 1a og 1b består den optiske resonator hovedsageligt af en topologisk isolator af bismuth-tellurid og sølv-nanofilm. De bismuth-tellurid-nanofilm, der er fremstillet ved magnetronsputtering, har et stort areal og en god fladhed. Når tykkelsen af ​​bismuth-tellurid- og sølvfilmene er henholdsvis 42 nm og 30 nm, udviser det optiske hulrum stærk resonansabsorption i båndet 1100~1800 nm (figur 1c). Da forskerne integrerede dette optiske hulrum på en fotonisk krystal lavet af alternerende stakke af Ta2O5 (182 nm) og SiO2 (260 nm) lag (figur 1e), opstod en tydelig absorptionsdal (figur 1f) nær den oprindelige resonante absorptionstop (~1550 nm), hvilket svarer til den elektromagnetisk inducerede transparenseffekt, der produceres af atomare systemer.

Bismuth-telluridmaterialet blev karakteriseret ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi og ellipsometri. FIG. 2a-2c viser transmissionselektronmikroskopi (billeder i høj opløsning) og udvalgte elektrondiffraktionsmønstre af bismuth-tellurid-nanofilm. Det kan ses ud fra figuren, at de fremstillede bismuth-tellurid-nanofilm er polykrystallinske materialer, og den primære vækstorientering er (015) krystalplanet. Figur 2d-2f viser det komplekse brydningsindeks for bismuth-tellurid målt med ellipsometer og den tilpassede overfladetilstand og det komplekse brydningsindeks. Resultaterne viser, at ekstinktionskoefficienten for overfladetilstanden er større end brydningsindekset i området 230~1930 nm, hvilket viser metallignende egenskaber. Brydningsindekset for legemet er mere end 6, når bølgelængden er større end 1385 nm, hvilket er meget højere end for silicium, germanium og andre traditionelle materialer med højt brydningsindeks i dette bånd, hvilket lægger grundlaget for fremstillingen af ​​ultratynde optiske resonatorer. Forskerne påpeger, at dette er den første rapporterede realisering af et topologisk isolator-planart optisk hulrum med en tykkelse på kun ti nanometer i det optiske kommunikationsbånd. Efterfølgende blev absorptionsspektret og resonansbølgelængden af ​​det ultratynde optiske hulrum målt med tykkelsen af ​​bismuth-tellurid. Endelig undersøges effekten af ​​sølvfilmtykkelse på elektromagnetisk inducerede transparensspektre i bismuth-tellurid-nanohulrum/fotoniske krystalstrukturer.

Ved at fremstille store, flade, tynde film af bismuth-tellurid topologiske isolatorer og udnytte det ultrahøje brydningsindeks for bismuth-telluridmaterialer i det nær-infrarøde bånd, opnås et plant optisk hulrum med en tykkelse på kun ti nanometer. Det ultratynde optiske hulrum kan opnå effektiv resonant lysabsorption i det nær-infrarøde bånd og har vigtig anvendelsesværdi i udviklingen af ​​optoelektroniske enheder i det optiske kommunikationsbånd. Tykkelsen af ​​bismuth-tellurid optiske hulrum er lineær i forhold til resonansbølgelængden og er mindre end for lignende silicium- og germanium-optiske hulrum. Samtidig er bismuth-tellurid optiske hulrum integreret med fotonisk krystal for at opnå den anomale optiske effekt, der ligner den elektromagnetisk inducerede transparens i atomsystemet, hvilket giver en ny metode til spektrumregulering af mikrostruktur. Denne undersøgelse spiller en vis rolle i at fremme forskningen i topologiske isolatormaterialer i lysregulering og optiske funktionelle enheder.