Оптички комуникациони опсег, ултратанки оптички резонатор
Оптички резонатори могу локализовати специфичне таласне дужине светлосних таласа у ограниченом простору и имају важне примене у интеракцији светлости и материје,оптичка комуникација, оптичко очитавање и оптичка интеграција. Величина резонатора углавном зависи од карактеристика материјала и радне таласне дужине, на пример, силицијумски резонатори који раде у блиском инфрацрвеном опсегу обично захтевају оптичке структуре од стотина нанометара и више. Последњих година, ултратанки планарни оптички резонатори привукли су велику пажњу због својих потенцијалних примена у структурним бојама, холографском снимању, регулацији светлосног поља и оптоелектронским уређајима. Како смањити дебљину планарних резонатора један је од тешких проблема са којима се суочавају истраживачи.
За разлику од традиционалних полупроводничких материјала, 3Д тополошки изолатори (као што су бизмут телурид, антимон телурид, бизмут селенид итд.) су нови информациони материјали са тополошки заштићеним површинским стањима метала и изолаторским стањима. Површинско стање је заштићено симетријом временске инверзије, а његови електрони се не расејавају немагнетним нечистоћама, што има важне перспективе примене у квантним рачунарствима мале снаге и спинтронским уређајима. Истовремено, тополошки изолаторски материјали такође показују одлична оптичка својства, као што су висок индекс преламања, велика нелинеарна...оптичкикоефицијент, широк радни спектар, подесивост, лака интеграција итд., што пружа нову платформу за реализацију регулације светлости иоптоелектронски уређаји.
Истраживачки тим у Кини предложио је метод за израду ултратанких оптичких резонатора коришћењем нанофилмова тополошког изолатора бизмут телурида велике површине. Оптичка шупљина показује очигледне карактеристике резонантне апсорпције у блиском инфрацрвеном опсегу. Бизмут телурид има веома висок индекс преламања, већи од 6, у оптичком комуникационом опсегу (виши од индекса преламања традиционалних материјала са високим индексом преламања као што су силицијум и германијум), тако да дебљина оптичке шупљине може достићи једну двадесетину резонантне таласне дужине. Истовремено, оптички резонатор се наноси на једнодимензионални фотонски кристал, а у оптичком комуникационом опсегу се примећује нови електромагнетно индуковани ефекат транспарентности, који је последица спрезања резонатора са Тамовим плазмоном и његове деструктивне интерференције. Спектрални одзив овог ефекта зависи од дебљине оптичког резонатора и отпоран је на промену амбијенталног индекса преламања. Овај рад отвара нови пут за реализацију ултратанке оптичке шупљине, регулацију спектра тополошких изолационих материјала и оптоелектронске уређаје.
Као што је приказано на сликама 1а и 1б, оптички резонатор је углавном састављен од тополошког изолатора бизмут телурида и сребрних нанофилмова. Нанофилмови бизмут телурида припремљени магнетронским распршивањем имају велику површину и добру равност. Када је дебљина филмова бизмут телурида и сребра 42 nm и 30 nm, респективно, оптичка шупљина показује јаку резонантну апсорпцију у опсегу од 1100~1800 nm (слика 1ц). Када су истраживачи интегрисали ову оптичку шупљину на фотонски кристал направљен од наизменичних наслага слојева Ta2O5 (182 nm) и SiO2 (260 nm) (слика 1е), појавила се изразита апсорпциона долина (слика 1ф) близу оригиналног резонантног апсорпционог врха (~1550 nm), што је слично електромагнетно индукованом ефекту транспарентности који производе атомски системи.
Материјал бизмут телурида је окарактерисан трансмисионом електронском микроскопијом и елипсометријом. Слике 2а-2ц приказују трансмисионе електронске микрографије (слике високе резолуције) и одабране дифракцијске дијаграме електрона бизмут телуридних нанофилмова. Из слике се може видети да су припремљени бизмут телуридни нанофилмови поликристални материјали, а главна оријентација раста је кристална раван (015). Слике 2д-2ф приказују комплексни индекс преламања бизмут телурида измерен елипсометром и прилагођени индекс преламања површинског стања и комплексног стања. Резултати показују да је коефицијент екстинкције површинског стања већи од индекса преламања у опсегу од 230~1930 nm, показујући карактеристике сличне металу. Индекс преламања тела је већи од 6 када је таласна дужина већа од 1385 nm, што је много више него код силицијума, германијума и других традиционалних материјала са високим индексом преламања у овом опсегу, што поставља темеље за припрему ултратанких оптичких резонатора. Истраживачи истичу да је ово прва пријављена реализација тополошке изолаторске планарне оптичке шупљине дебљине од само неколико десетина нанометара у оптичком комуникационом опсегу. Након тога, мерени су апсорпциони спектар и резонантна таласна дужина ултратанке оптичке шупљине са дебљином бизмут телурида. Коначно, испитан је утицај дебљине сребрног филма на електромагнетно индуковане спектре транспарентности у наношупљинама/фотонским кристалним структурама бизмут телурида.
Припремом танких, равних филмова тополошких изолатора од бизмут телурида велике површине, и коришћењем ултрависоког индекса преламања материјала од бизмут телурида у блиском инфрацрвеном опсегу, добија се планарна оптичка шупљина дебљине од само неколико десетина нанометара. Ултратанка оптичка шупљина може остварити ефикасну резонантну апсорпцију светлости у блиском инфрацрвеном опсегу и има важну применску вредност у развоју оптоелектронских уређаја у оптичком комуникационом опсегу. Дебљина оптичке шупљине од бизмут телурида је линеарна резонантној таласној дужини и мања је од дебљине сличних оптичких шупљина од силицијума и германијума. Истовремено, оптичка шупљина од бизмут телурида је интегрисана са фотонским кристалом како би се постигао аномални оптички ефекат сличан електромагнетно индукованој транспарентности атомског система, што пружа нову методу за регулацију спектра микроструктуре. Ова студија игра одређену улогу у промоцији истраживања тополошких изолационих материјала у регулацији светлости и оптичким функционалним уређајима.
Време објаве: 30. септембар 2024.