Смуга оптичного зв'язку, ультратонкий оптичний резонатор

Смуга оптичного зв'язку, ультратонкий оптичний резонатор
Оптичні резонатори можуть локалізувати певні довжини світлових хвиль в обмеженому просторі та мають важливе застосування у взаємодії світла та речовини,оптичний зв'язок, оптичне зондування та оптична інтеграція. Розмір резонатора в основному залежить від характеристик матеріалу та робочої довжини хвилі, наприклад, кремнієві резонатори, що працюють у ближньому інфрачервоному діапазоні, зазвичай вимагають оптичних структур із сотнями нанометрів і вище. Останніми роками ультратонкі планарні оптичні резонатори привернули велику увагу завдяки їх потенційному застосуванню в структурному кольорі, голографічному зображенні, регулюванні світлового поля та оптоелектронних пристроях. Як зменшити товщину плоских резонаторів - одна зі складних проблем, з якою стикаються дослідники.
На відміну від традиційних напівпровідникових матеріалів, тривимірні топологічні ізолятори (такі як телурид вісмуту, телурид сурми, селенід вісмуту тощо) є новими інформаційними матеріалами з топологічно захищеними станами поверхні металу та станами ізолятора. Поверхневий стан захищений симетрією інверсії часу, а його електрони не розсіюються немагнітними домішками, що має важливі перспективи застосування в малопотужних квантових обчисленнях і спінтронних пристроях. У той же час топологічні ізоляторні матеріали також демонструють чудові оптичні властивості, такі як високий показник заломлення, великі нелінійніоптичнийкоефіцієнт, широкий робочий діапазон спектру, можливість налаштування, легка інтеграція тощо, що забезпечує нову платформу для реалізації регулювання світла таоптико-електронні прилади.
Дослідницька група в Китаї запропонувала метод виготовлення надтонких оптичних резонаторів за допомогою наноплівок топологічного ізолятора телуриду вісмуту, що ростуть на великій площі. Оптичний резонатор демонструє очевидні характеристики резонансного поглинання в ближньому інфрачервоному діапазоні. Телурид вісмуту має дуже високий показник заломлення понад 6 у смузі оптичного зв’язку (вищий, ніж показник заломлення традиційних матеріалів з високим показником заломлення, таких як кремній і германій), тому товщина оптичної порожнини може досягати однієї двадцятої резонансної. довжина хвилі. У той же час оптичний резонатор наноситься на одновимірний фотонний кристал, і в смузі оптичного зв'язку спостерігається новий електромагнітно індукований ефект прозорості, який зумовлений зв'язком резонатора з плазмоном Тамма та його руйнівною інтерференцією. . Спектральна характеристика цього ефекту залежить від товщини оптичного резонатора і є стійкою до зміни навколишнього показника заломлення. Ця робота відкриває новий шлях для реалізації ультратонких оптичних резонаторів, регуляції спектру матеріалу топологічного ізолятора та оптоелектронних пристроїв.
Як показано на фіг. 1a і 1b, оптичний резонатор в основному складається з топологічного ізолятора телуриду вісмуту та наноплівок срібла. Наноплівки телуриду вісмуту, отримані методом магнетронного розпилення, мають велику площу та хорошу площинність. Коли товщина плівок телуриду вісмуту та срібла становить 42 нм і 30 нм відповідно, оптична порожнина демонструє сильне резонансне поглинання в діапазоні 1100–1800 нм (рис. 1c). Коли дослідники інтегрували цю оптичну порожнину в фотонний кристал, виготовлений із чергування пакетів шарів Ta2O5 (182 нм) і SiO2 (260 нм) (рис. 1e), поблизу початкового резонансного піку поглинання (~) з’явилася чітка долина поглинання (рис. 1f). 1550 нм), що подібно до ефекту прозорості, викликаного електромагнітним впливом за атомними системами.

Матеріал телуриду вісмуту охарактеризовано за допомогою трансмісійної електронної мікроскопії та еліпсометрії. ФІГ. 2a-2c показані трансмісійні електронні мікрофотографії (зображення з високою роздільною здатністю) і вибрані електронограми наноплівок телуриду вісмуту. На малюнку видно, що підготовлені наноплівки телуриду вісмуту є полікристалічними матеріалами, а основна орієнтація росту — площина кристала (015). На малюнках 2d-2f показано комплексний показник заломлення телуриду вісмуту, виміряний еліпсометром, і підігнаний стан поверхні та стан комплексного показника заломлення. Результати показують, що коефіцієнт екстинкції поверхневого стану більший за показник заломлення в діапазоні 230~1930 нм, демонструючи металеві характеристики. Показник заломлення тіла більше 6, коли довжина хвилі перевищує 1385 нм, що набагато вище, ніж у кремнію, германію та інших традиційних матеріалів з високим показником заломлення в цьому діапазоні, що закладає основу для підготовки ультра -тонкі оптичні резонатори. Дослідники зазначають, що це перша зареєстрована реалізація планарної оптичної порожнини топологічного ізолятора товщиною лише десятки нанометрів у смузі оптичного зв’язку. Згодом спектр поглинання та резонансна довжина хвилі ультратонкого оптичного резонатора були виміряні з товщиною телуриду вісмуту. Нарешті, досліджено вплив товщини плівки срібла на електромагнітно індуковані спектри прозорості в структурах нанопорожнини/фотонних кристалів телуриду вісмуту

Підготувавши плоскі тонкі плівки великої площі з топологічних ізоляторів телуриду вісмуту та використовуючи переваги надвисокого показника заломлення матеріалів телуриду вісмуту в ближньому інфрачервоному діапазоні, отримано планарну оптичну порожнину товщиною всього в десятки нанометрів. Ультратонкий оптичний резонатор може реалізувати ефективне резонансне поглинання світла в ближньому інфрачервоному діапазоні та має важливе прикладне значення для розробки оптоелектронних пристроїв у діапазоні оптичного зв’язку. Товщина оптичного резонатора телуриду вісмуту лінійна до резонансної довжини хвилі та менша, ніж у подібного оптичного резонатора кремнію та германію. У той же час, оптична порожнина телуриду вісмуту інтегрована з фотонним кристалом для досягнення аномального оптичного ефекту, подібного до електромагнітно індукованої прозорості атомної системи, що забезпечує новий метод регулювання спектру мікроструктури. Це дослідження відіграє певну роль у просуванні досліджень топологічних ізоляторних матеріалів у регулюванні світла та оптичних функціональних пристроях.