Optični komunikacijski pas, ultra tanek optični resonator

Optični komunikacijski pas, ultra tanek optični resonator
Optični resonatorji lahko lokalizirajo specifične valovne dolžine svetlobnih valov v omejenem prostoru in imajo pomembne aplikacije pri interakciji med svetlobo in snovjo,optična komunikacija, optično zaznavanje in optična integracija. Velikost resonatorja je odvisna predvsem od lastnosti materiala in delovne valovne dolžine, na primer silicijevi resonatorji, ki delujejo v bližnjem infrardečem pasu, običajno zahtevajo optične strukture več sto nanometrov. V zadnjih letih so ultra tanki planarni optični resonatorji pritegnili veliko pozornosti zaradi svojih potencialnih uporab v strukturnih barvah, holografskem slikanju, regulaciji svetlobnega polja in optoelektronskih napravah. Zmanjšanje debeline planarnih resonatorjev je eden od težkih problemov, s katerimi se soočajo raziskovalci.
Za razliko od tradicionalnih polprevodniških materialov so 3D topološki izolatorji (kot so bizmutov telurid, antimonov telurid, bizmutov selenid itd.) novi informacijski materiali s topološko zaščitenimi kovinskimi površinskimi stanji in izolatorskimi stanji. Površinsko stanje je zaščiteno s simetrijo časovne inverzije, njegovi elektroni pa niso razpršeni zaradi nemagnetnih nečistoč, kar ima pomembne možnosti uporabe v kvantnem računalništvu z nizko porabo energije in spintronskih napravah. Hkrati topološki izolatorski materiali kažejo tudi odlične optične lastnosti, kot so visok lomni količnik, velika nelinearnaoptičnikoeficient, širok delovni spekter, prilagodljivost, enostavna integracija itd., kar zagotavlja novo platformo za realizacijo regulacije svetlobe inoptoelektronske naprave.
Raziskovalna skupina na Kitajskem je predlagala metodo za izdelavo ultra tankih optičnih resonatorjev z uporabo nanofilmov topološkega izolatorja iz bizmutovega telurida z veliko površino. Optična votlina kaže očitne resonančne absorpcijske značilnosti v bližnjem infrardečem pasu. Bizmutov telurid ima zelo visok lomni količnik, več kot 6, v optičnem komunikacijskem pasu (višji od lomnega količnika tradicionalnih materialov z visokim lomnim količnikom, kot sta silicij in germanij), tako da lahko debelina optične votline doseže eno dvajsetino resonančne valovne dolžine. Hkrati je optični resonator nanesen na enodimenzionalni fotonski kristal, v optičnem komunikacijskem pasu pa je opazen nov elektromagnetno induciran učinek prosojnosti, ki je posledica sklopitve resonatorja s Tammovim plazmonom in njegove destruktivne interference. Spektralni odziv tega učinka je odvisen od debeline optičnega resonatorja in je robusten na spremembo lomnega količnika okolice. To delo odpira novo pot za realizacijo ultra tanke optične votline, regulacijo spektra topoloških izolatorskih materialov in optoelektronskih naprav.
Kot je prikazano na slikah 1a in 1b, je optični resonator sestavljen predvsem iz topološkega izolatorja iz bizmutovega telurida in srebrovih nanofilmov. Nanofilmi iz bizmutovega telurida, pripravljeni z magnetronskim razprševanjem, imajo veliko površino in dobro ravnost. Ko je debelina filmov iz bizmutovega telurida in srebra 42 nm oziroma 30 nm, optična votlina kaže močno resonančno absorpcijo v pasu 1100~1800 nm (slika 1c). Ko so raziskovalci to optično votlino integrirali na fotonski kristal, izdelan iz izmeničnih slojev Ta2O5 (182 nm) in SiO2 (260 nm) (slika 1e), se je v bližini prvotnega resonančnega absorpcijskega vrha (~1550 nm) pojavila izrazita absorpcijska dolina (slika 1f), ki je podobna elektromagnetno induciranemu učinku prosojnosti, ki ga povzročajo atomski sistemi.

Material bizmutovega telurida je bil karakteriziran s transmisijsko elektronsko mikroskopijo in elipsometrijo. Slika 2a-2c prikazuje transmisijske elektronske mikrografije (slike visoke ločljivosti) in izbrane elektronske difrakcijske vzorce nanofilmov bizmutovega telurida. Iz slike je razvidno, da so pripravljeni nanofilmi bizmutovega telurida polikristalni materiali, glavna orientacija rasti pa je kristalna ravnina (015). Slika 2d-2f prikazuje kompleksni lomni količnik bizmutovega telurida, izmerjen z elipsometrom, ter prilagojeni lomni količnik površinskega stanja in kompleksnega stanja. Rezultati kažejo, da je ekstinkcijski koeficient površinskega stanja večji od lomnega količnika v območju 230~1930 nm, kar kaže na kovinske lastnosti. Lomni količnik telesa je večji od 6, ko je valovna dolžina večja od 1385 nm, kar je veliko več kot pri siliciju, germaniju in drugih tradicionalnih materialih z visokim lomnim količnikom v tem pasu, kar postavlja temelje za pripravo ultra tankih optičnih resonatorjev. Raziskovalci poudarjajo, da je to prva poročana realizacija topološke izolatorske planarne optične votline z debelino le nekaj deset nanometrov v optičnem komunikacijskem pasu. Nato sta bila izmerjena absorpcijski spekter in resonančna valovna dolžina ultra tanke optične votline z debelino bizmutovega telurida. Nazadnje je bil raziskan vpliv debeline srebrnega filma na elektromagnetno inducirane spektre prosojnosti v nano-votlini/fotonskih kristalnih strukturah bizmutovega telurida.

Z izdelavo tankih, ploščatih filmov topoloških izolatorjev iz bizmutovega telurida z veliko površino in izkoriščanjem ultra visokega lomnega količnika materialov iz bizmutovega telurida v bližnjem infrardečem pasu dobimo planarno optično votlino z debelino le nekaj deset nanometrov. Ultra tanka optična votlina lahko doseže učinkovito resonančno absorpcijo svetlobe v bližnjem infrardečem pasu in ima pomembno uporabno vrednost pri razvoju optoelektronskih naprav v optičnem komunikacijskem pasu. Debelina optične votline iz bizmutovega telurida je linearna glede na resonančno valovno dolžino in je manjša od debeline podobne silicijeve in germanijeve optične votline. Hkrati je optična votlina iz bizmutovega telurida integrirana s fotonskim kristalom, da se doseže anomalni optični učinek, podoben elektromagnetno inducirani prosojnosti atomskega sistema, kar zagotavlja novo metodo za regulacijo spektra mikrostrukture. Ta študija igra določeno vlogo pri spodbujanju raziskav topoloških izolatorskih materialov v regulaciji svetlobe in optičnih funkcionalnih napravah.