Banda de comunicació òptica, ressonador òptic ultrafí

Banda de comunicació òptica, ressonador òptic ultrafí
Els ressonadors òptics poden localitzar longituds d'ona específiques d'ones de llum en un espai limitat i tenen aplicacions importants en la interacció llum-matèria.comunicació òptica, detecció òptica i integració òptica. La mida del ressonador depèn principalment de les característiques del material i de la longitud d'ona de funcionament, per exemple, els ressonadors de silici que operen a la banda de l'infraroig proper solen requerir estructures òptiques de centenars de nanòmetres i més. En els darrers anys, els ressonadors òptics planars ultraprims han atret molta atenció a causa de les seves possibles aplicacions en color estructural, imatges hologràfiques, regulació del camp de llum i dispositius optoelectrònics. Com reduir el gruix dels ressonadors planars és un dels problemes difícils als quals s'enfronten els investigadors.
A diferència dels materials semiconductors tradicionals, els aïllants topològics 3D (com ara tel·lurur de bismut, tel·lurur d'antimoni, selenur de bismut, etc.) són nous materials d'informació amb estats superficials metàl·lics i estats aïllants topològicament protegits. L'estat superficial està protegit per la simetria de la inversió temporal i els seus electrons no es dispersen per impureses no magnètiques, cosa que té importants perspectives d'aplicació en la computació quàntica de baixa potència i els dispositius espintrònics. Al mateix temps, els materials aïllants topològics també mostren excel·lents propietats òptiques, com ara un alt índex de refracció, grans propietats no lineals.òpticcoeficient, ampli rang d'espectre de treball, sintonitzabilitat, fàcil integració, etc., que proporciona una nova plataforma per a la realització de la regulació de la llum idispositius optoelectrònics.
Un equip de recerca a la Xina ha proposat un mètode per a la fabricació de ressonadors òptics ultraprims mitjançant nanofilms aïllants topològics de tel·lurur de bismut de gran àrea. La cavitat òptica mostra unes característiques d'absorció de ressonància òbvies a la banda de l'infraroig proper. El tel·lurur de bismut té un índex de refracció molt alt, superior a 6, a la banda de comunicació òptica (superior a l'índex de refracció dels materials tradicionals d'alt índex de refracció com el silici i el germani), de manera que el gruix de la cavitat òptica pot arribar a una vintena part de la longitud d'ona de ressonància. Al mateix temps, el ressonador òptic es diposita sobre un cristall fotònic unidimensional i s'observa un nou efecte de transparència induït electromagnèticament a la banda de comunicació òptica, que es deu a l'acoblament del ressonador amb el plasmó de Tamm i la seva interferència destructiva. La resposta espectral d'aquest efecte depèn del gruix del ressonador òptic i és robusta al canvi de l'índex de refracció ambiental. Aquest treball obre un nou camí per a la realització de cavitats òptiques ultraprimes, regulació de l'espectre de materials aïllants topològics i dispositius optoelectrònics.
Com es mostra a les FIG. 1a i 1b, el ressonador òptic està compost principalment per un aïllant topològic de tel·lurur de bismut i nanofilms de plata. Els nanofilms de tel·lurur de bismut preparats per pulverització catòdica amb magnetró tenen una gran àrea i una bona planitud. Quan el gruix de les pel·lícules de tel·lurur de bismut i plata és de 42 nm i 30 nm, respectivament, la cavitat òptica presenta una forta absorció de ressonància a la banda de 1100~1800 nm (Figura 1c). Quan els investigadors van integrar aquesta cavitat òptica en un cristall fotònic fet de piles alternes de capes de Ta2O5 (182 nm) i SiO2 (260 nm) (Figura 1e), va aparèixer una vall d'absorció clara (Figura 1f) prop del pic d'absorció ressonant original (~1550 nm), que és similar a l'efecte de transparència induït electromagnèticament produït pels sistemes atòmics.

El material de tel·lurur de bismut es va caracteritzar mitjançant microscòpia electrònica de transmissió i el·lipsometria. Les figures 2a-2c mostren micrografies electròniques de transmissió (imatges d'alta resolució) i patrons de difracció d'electrons seleccionats de nanofilms de tel·lurur de bismut. Es pot veure a la figura que els nanofilms de tel·lurur de bismut preparats són materials policristal·lins, i l'orientació de creixement principal és el pla cristal·lí (015). Les figures 2d-2f mostren l'índex de refracció complex del tel·lurur de bismut mesurat per el·lipsòmetre i l'estat superficial ajustat i l'índex de refracció complex de l'estat. Els resultats mostren que el coeficient d'extinció de l'estat superficial és superior a l'índex de refracció en el rang de 230~1930 nm, mostrant característiques metàl·liques. L'índex de refracció del cos és superior a 6 quan la longitud d'ona és superior a 1385 nm, cosa que és molt més alta que la del silici, el germani i altres materials tradicionals d'alt índex de refracció en aquesta banda, cosa que estableix les bases per a la preparació de ressonadors òptics ultraprims. Els investigadors assenyalen que aquesta és la primera realització reportada d'una cavitat òptica planar aïllant topològic amb un gruix de només desenes de nanòmetres a la banda de comunicació òptica. Posteriorment, es van mesurar l'espectre d'absorció i la longitud d'ona de ressonància de la cavitat òptica ultraprima amb el gruix del tel·lurur de bismut. Finalment, s'investiga l'efecte del gruix de la pel·lícula de plata sobre els espectres de transparència induïts electromagnèticament en estructures de nanocavitat/cristall fotònic de tel·lurur de bismut.

Preparant pel·lícules primes i planes de gran superfície d'aïllants topològics de tel·lurur de bismut, i aprofitant l'índex de refracció ultra alt dels materials de tel·lurur de bismut a la banda de l'infraroig proper, s'obté una cavitat òptica planar amb un gruix de només desenes de nanòmetres. La cavitat òptica ultrafina pot aconseguir una absorció de llum ressonant eficient a la banda de l'infraroig proper i té un valor d'aplicació important en el desenvolupament de dispositius optoelectrònics a la banda de comunicació òptica. El gruix de la cavitat òptica de tel·lurur de bismut és lineal respecte a la longitud d'ona ressonant i és més petit que el de cavitats òptiques similars de silici i germani. Al mateix temps, la cavitat òptica de tel·lurur de bismut s'integra amb un cristall fotònic per aconseguir l'efecte òptic anòmal similar a la transparència induïda electromagnèticament del sistema atòmic, cosa que proporciona un nou mètode per a la regulació de l'espectre de la microestructura. Aquest estudi juga un paper important en la promoció de la investigació de materials aïllants topològics en la regulació de la llum i els dispositius funcionals òptics.