Оптичний діапазон зв'язку, надтонкий оптичний резонатор
Оптичні резонатори можуть локалізувати певні довжини хвиль світлових хвиль в обмеженому просторі та мають важливі застосування у взаємодії світла з речовиною.оптичний зв'язок, оптичне зондування та оптична інтеграція. Розмір резонатора головним чином залежить від характеристик матеріалу та робочої довжини хвилі, наприклад, кремнієві резонатори, що працюють у ближньому інфрачервоному діапазоні, зазвичай потребують оптичних структур розміром сотні нанометрів і вище. В останні роки надтонкі планарні оптичні резонатори привернули значну увагу завдяки їх потенційному застосуванню в структурному кольорі, голографічному зображенні, регулюванні світлового поля та оптоелектронних пристроях. Зменшення товщини планарних резонаторів є однією зі складних проблем, з якими стикаються дослідники.
На відміну від традиційних напівпровідникових матеріалів, 3D топологічні ізолятори (такі як телурид вісмуту, телурид сурми, селенід вісмуту тощо) є новими інформаційними матеріалами з топологічно захищеними поверхневими станами металу та ізолятора. Поверхневий стан захищений симетрією часової інверсії, а його електрони не розсіюються на немагнітних домішках, що має важливі перспективи застосування в малопотужних квантових обчисленнях та спінтроніці. Водночас топологічні ізоляторні матеріали також демонструють чудові оптичні властивості, такі як високий показник заломлення, велика нелінійністьоптичнийкоефіцієнт, широкий діапазон робочого спектру, настроюваність, легка інтеграція тощо, що забезпечує нову платформу для реалізації регулювання світла таоптоелектронні пристрої.
Дослідницька група в Китаї запропонувала метод виготовлення надтонких оптичних резонаторів з використанням наноплівок топологічного ізолятора на основі телуриду вісмуту великої площі, що вирощується. Оптичний резонатор демонструє очевидні характеристики резонансного поглинання в ближньому інфрачервоному діапазоні. Телурид вісмуту має дуже високий показник заломлення, що перевищує 6, в оптичному діапазоні зв'язку (вищий за показник заломлення традиційних матеріалів з високим показником заломлення, таких як кремній та германій), завдяки чому товщина оптичного резонатора може досягати однієї двадцятої резонансної довжини хвилі. Водночас оптичний резонатор наноситься на одновимірний фотонний кристал, і в оптичному діапазоні зв'язку спостерігається новий ефект електромагнітно індукованої прозорості, що зумовлено зв'язком резонатора з плазмоном Тамма та його деструктивною інтерференцією. Спектральна характеристика цього ефекту залежить від товщини оптичного резонатора та є стійкою до зміни показника заломлення навколишнього середовища. Ця робота відкриває новий шлях для реалізації надтонкого оптичного резонатора, регулювання спектра топологічного ізоляторного матеріалу та оптоелектронних пристроїв.
Як показано на рис. 1a та 1b, оптичний резонатор складається переважно з топологічного ізолятора на основі телуриду вісмуту та наноплівок срібла. Наноплівки телуриду вісмуту, отримані магнетронним розпиленням, мають велику площу та добру площинність. Коли товщина плівок телуриду вісмуту та срібла становить 42 нм та 30 нм відповідно, оптичний резонатор демонструє сильне резонансне поглинання в смузі 1100~1800 нм (рис. 1c). Коли дослідники інтегрували цей оптичний резонатор у фотонний кристал, виготовлений з чергуючихся стопок шарів Ta2O5 (182 нм) та SiO2 (260 нм) (рис. 1e), поблизу початкового резонансного піку поглинання (~1550 нм) з'явилася чітка долина поглинання (рис. 1f), що подібно до електромагнітно індукованого ефекту прозорості, що виникає в атомних системах.
Матеріал телуриду вісмуту був охарактеризований за допомогою просвічувальної електронної мікроскопії та еліпсометрії. На Рис. 2a-2c показано фотографії просвічувальної електронної мікроскопії (зображення високої роздільної здатності) та вибрані електронограми наноплівок телуриду вісмуту. З рисунка видно, що підготовлені наноплівки телуриду вісмуту є полікристалічними матеріалами, а основна орієнтація росту - кристалічна площина (015). На Рис. 2d-2f показано комплексний показник заломлення телуриду вісмуту, виміряний еліпсометром, та підібраний поверхневий стан і комплексний показник заломлення стану. Результати показують, що коефіцієнт екстинкції поверхневого стану перевищує показник заломлення в діапазоні 230~1930 нм, що демонструє металоподібні характеристики. Показник заломлення тіла перевищує 6, коли довжина хвилі перевищує 1385 нм, що значно вище, ніж у кремнію, германію та інших традиційних матеріалів з високим показником заломлення в цьому діапазоні, що закладає основу для створення надтонких оптичних резонаторів. Дослідники зазначають, що це перша зареєстрована реалізація топологічного ізолятора-планарного оптичного резонатора товщиною лише десятки нанометрів в оптичному діапазоні зв'язку. Згодом було виміряно спектр поглинання та резонансну довжину хвилі надтонкого оптичного резонатора з товщиною телуриду вісмуту. Нарешті, досліджено вплив товщини срібної плівки на спектри електромагнітно індукованої прозорості в нанопорожнинах/фотонних кристалічних структурах телуриду вісмуту.
Шляхом приготування великої площі плоских тонких плівок топологічних ізоляторів на основі телуриду вісмуту та використання надвисокого показника заломлення матеріалів на основі телуриду вісмуту в ближньому інфрачервоному діапазоні, отримано планарний оптичний резонатор товщиною лише десятки нанометрів. Ультратонкий оптичний резонатор може реалізувати ефективне резонансне поглинання світла в ближньому інфрачервоному діапазоні та має важливе прикладне значення в розробці оптоелектронних пристроїв в діапазоні оптичного зв'язку. Товщина оптичного резонатора на основі телуриду вісмуту лінійна до резонансної довжини хвилі та менша, ніж у аналогічних оптичних резонаторів на основі кремнію та германію. Водночас оптичний резонатор на основі телуриду вісмуту інтегровано 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 сфері регулювання світла та оптичних функціональних пристроїв.
Час публікації: 30 вересня 2024 р.