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 sensing og optisk integration. Størrelsen af resonatoren 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 meget opmærksomhed på grund af deres potentielle anvendelser inden for strukturelle farver, holografisk billeddannelse, lysfeltregulering og optoelektroniske enheder. Hvordan man reducerer tykkelsen af plane resonatorer er et af de vanskelige problemer, som forskere står over for.
Til forskel fra traditionelle halvledermaterialer er 3D topologiske isolatorer (såsom vismuttellurid, antimontellurid, bismuthselenid osv.) nye informationsmaterialer med topologisk beskyttede metaloverfladetilstande og isolatortilstande. Overfladetilstanden er beskyttet af symmetrien af tidsinversion, og dens elektroner er ikke spredt af ikke-magnetiske urenheder, hvilket har vigtige anvendelsesmuligheder i laveffekt kvantecomputere og spintroniske enheder. På samme tid viser topologiske isolatormaterialer også fremragende optiske egenskaber, såsom højt brydningsindeks, stor ikke-lineæroptiskkoefficient, bredt arbejdsspektrum, tunbarhed, nem integration osv., som 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 at bruge vismuttellurid-topologiske nanofilm, der vokser i stort område. Det optiske hulrum viser tydelige resonansabsorptionsegenskaber i det nære infrarøde bånd. Bismuthtellurid 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 den optiske kavitets tykkelse kan nå en tyvendedel af resonansen bølgelængde. Samtidig aflejres den optiske resonator på en endimensionel fotonisk krystal, og der observeres en ny elektromagnetisk induceret transparenseffekt i det optiske kommunikationsbånd, hvilket skyldes koblingen af resonatoren med Tamm-plasmonen og dens ødelæggende interferens. . Den spektrale reaktion af denne effekt afhænger af tykkelsen af den optiske resonator og er robust over for ændringen af det omgivende brydningsindeks. Dette arbejde åbner op for en ny måde for realisering af ultratynde optiske kaviteter, topologisk isolatormaterialespektrumregulering og optoelektroniske enheder.
Som vist i fig. 1a og 1b er den optiske resonator hovedsageligt sammensat af en bismuttellurid topologisk isolator og sølv nanofilm. Vismuttellurid nanofilmene fremstillet ved magnetronforstøvning har stort areal og god fladhed. Når tykkelsen af vismuttellurid- og sølvfilmene er henholdsvis 42 nm og 30 nm, udviser det optiske hulrum stærk resonansabsorption i båndet på 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), dukkede en tydelig absorptionsdal (Figur 1f) op nær den oprindelige resonansabsorptionstop (~ 1550 nm), hvilket svarer til den elektromagnetisk inducerede gennemsigtighedseffekt produceret af atomare systemer.
Bismuthtelluridmaterialet blev karakteriseret ved transmissionselektronmikroskopi og ellipsometri. FIG. 2a-2c viser transmissionselektronmikrofotografier (højopløsningsbilleder) og udvalgte elektrondiffraktionsmønstre af bismuthtellurid nanofilm. Det kan ses på figuren, at de fremstillede bismuttellurid nanofilm er polykrystallinske materialer, og hovedvækstorienteringen er (015) krystalplan. Figur 2d-2f viser det komplekse brydningsindeks for bismuttellurid målt med ellipsometer og den tilpassede overfladetilstand og tilstandskomplekse brydningsindeks. Resultaterne viser, at ekstinktionskoefficienten for overfladetilstanden er større end brydningsindekset i området 230 ~ 1930 nm, hvilket viser metallignende karakteristika. Kroppens brydningsindeks 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 fremstilling af ultra -tynde optiske resonatorer. Forskerne påpeger, at dette er den første rapporterede realisering af en topologisk isolator, plan optisk kavitet med en tykkelse på kun snesevis af nanometer i det optiske kommunikationsbånd. Efterfølgende blev absorptionsspektret og resonansbølgelængden af det ultratynde optiske hulrum målt med tykkelsen af vismuttellurid. Endelig undersøges effekten af sølvfilmtykkelse på elektromagnetisk inducerede transparensspektre i bismuthtellurid nanokavitet/fotoniske krystalstrukturer.
Ved at fremstille flade tynde film af vismuttellurid-topologiske isolatorer med stort areal og drage fordel af det ultrahøje brydningsindeks for Bismuth-telluridmaterialer i nær-infrarødt bånd opnås et plant optisk hulrum med en tykkelse på kun 100 nanometer. Det ultratynde optiske hulrum kan realisere effektiv resonanslysabsorption i det nære infrarøde bånd og har vigtig anvendelsesværdi i udviklingen af optoelektroniske enheder i det optiske kommunikationsbånd. Tykkelsen af det optiske bismuttelluridhulrum er lineært i forhold til resonansbølgelængden og er mindre end tilsvarende optisk silicium- og germaniumhulrum. Samtidig er bismuthtellurid optisk hulrum integreret med fotonisk krystal for at opnå den unormale optiske effekt svarende til den elektromagnetisk inducerede gennemsigtighed af 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.
Indlægstid: 30. september 2024