Оптички комуникациони опсег, ултра танак оптички резонатор

Оптички комуникациони опсег, ултра танак оптички резонатор
Оптички резонатори могу да локализују одређене таласне дужине светлосних таласа у ограниченом простору и имају важну примену у интеракцији светлост-материја,оптичка комуникација, оптички сенсинг 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 своје потенцијалне примене у структурним бојама, холографским сликама, 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 металним површинским стањима и стањима изолатора. Површинско стање је заштићено симетријом временске инверзије, а његови електрони нису расејани немагнетним нечистоћама, што има важне изгледе за примену у квантном рачунарству мале снаге и спинтронским уређајима. Истовремено, тополошки изолаторски материјали такође показују одлична оптичка својства, као што су висок индекс преламања, велики нелинеарниоптичкикоефицијент, широк опсег радног спектра, прилагодљивост, лака интеграција итд., што пружа нову платформу за реализацију регулације светлости иоптоелектронских уређаја.
Истраживачки тим у Кини је предложио методу за производњу ултра танких оптичких резонатора коришћењем нанофилмова тополошког изолатора бизмута телурида који расте на великој површини. Оптичка шупљина показује очигледне карактеристике апсорпције резонанције у блиском инфрацрвеном опсегу. Бизмут телурид има веома висок индекс преламања већи од 6 у оптичком комуникационом опсегу (већи од индекса преламања традиционалних материјала са високим индексом преламања као што су силицијум и германијум), тако да дебљина оптичке шупљине може да достигне једну двадесетину резонанције таласна дужина. Истовремено, оптички резонатор се наноси на једнодимензионални фотонски кристал, а у оптичком комуникационом опсегу се примећује нови електромагнетно индуковани ефекат транспарентности, који је последица спајања резонатора са Тамовим плазмоном и његове деструктивне интерференције. . Спектрални одзив овог ефекта зависи од дебљине оптичког резонатора и отпоран је на промену индекса преламања околине. Овај рад отвара нови начин за реализацију ултратанке оптичке шупљине, регулацију спектра материјала тополошких изолатора и оптоелектронских уређаја.
Као што је приказано на Сл. 1а и 1б, оптички резонатор се углавном састоји од тополошког изолатора бизмута телурида и сребрних нанофилмова. Нанофилмови бизмут телурида припремљени магнетронским распршивањем имају велику површину и добру равност. Када је дебљина филма бизмут телурида и сребра 42 нм, односно 30 нм, оптичка шупљина показује јаку резонантну апсорпцију у опсегу од 1100 ~ 1800 нм (Слика 1ц). Када су истраживачи интегрисали ову оптичку шупљину у фотонски кристал направљен од наизменичних наслага слојева Та2О5 (182 нм) и СиО2 (260 нм) (слика 1е), појавила се посебна апсорпциона долина (слика 1ф) у близини оригиналног врха резонантне апсорпције (~ 1550 нм), што је слично електромагнетно индукованом ефекту транспарентности који производе атомски системи.

Материјал бизмут телурид је окарактерисан трансмисијском електронском микроскопом и елипсометријом. Фиг. 2а-2ц приказује трансмисионе електронске микрографије (слике високе резолуције) и одабране обрасце дифракције електрона нанофилмова бизмут телурида. Са слике се може видети да су припремљени нанофилмови бизмут телурида поликристални материјали, а главна оријентација раста је (015) кристална раван. Слика 2д-2ф приказује комплексни индекс преламања бизмут телурида измерен елипсометром и уграђено површинско стање и комплексни индекс преламања стања. Резултати показују да је коефицијент екстинкције површинског стања већи од индекса преламања у опсегу од 230~1930 нм, показујући карактеристике сличне металу. Индекс преламања тела је већи од 6 када је таласна дужина већа од 1385 нм, што је много више од силицијума, германијума и других традиционалних материјала са високим индексом преламања у овом опсегу, што поставља основу за припрему ултра -танки оптички резонатори. Истраживачи истичу да је ово прва пријављена реализација планарне оптичке шупљине тополошког изолатора дебљине само десетине нанометара у оптичком комуникационом опсегу. Потом су мерени апсорпциони спектар и резонантна таласна дужина ултра танке оптичке шупљине са дебљином бизмут телурида. Коначно, истражује се утицај дебљине сребрног филма на електромагнетно индуковане спектре транспарентности у наношупљинама/фотонским кристалним структурама бизмута телурида.

Припремањем великих површина танких филмова тополошких изолатора бизмут телурида и коришћењем предности ултрависоког индекса преламања бизмут телуридних материјала у блиском инфрацрвеном опсегу, добија се планарна оптичка шупљина дебљине само десетине нанометара. Ултра-танка оптичка шупљина може да оствари ефикасну апсорпцију резонантне светлости у блиском инфрацрвеном опсегу и има важну примену у развоју оптоелектронских уређаја у оптичком комуникационом опсегу. Дебљина оптичке шупљине бизмут телурида је линеарна у односу на резонантну таласну дужину и мања је од оне сличне оптичке шупљине силикона и германијума. Истовремено, оптичка шупљина телурида бизмута је интегрисана са фотонским кристалом да би се постигао аномални оптички ефекат сличан електромагнетно индукованој транспарентности атомског система, што обезбеђује нову методу за регулацију спектра микроструктуре. Ова студија игра одређену улогу у промовисању истраживања тополошких изолаторских материјала у регулацији светлости и оптичким функционалним уређајима.