Banda de comunicació òptica, ressonador òptic ultra-prim

Banda de comunicació òptica, ressonador òptic ultra-prim
Els ressonadors òptics poden localitzar longituds d’ona específiques d’ones de llum en un espai limitat i tenir aplicacions importants en la interacció de la llum de llum,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 d’infrarojos propers solen requerir estructures òptiques de centenars de nanòmetres i més amunt. En els darrers anys, els ressonadors òptics plans ultra-prims han cridat molta atenció a causa de les seves aplicacions potencials en el color estructural, la imatge hologràfica, la regulació del camp lleuger i els dispositius optoelectrònics. Com reduir el gruix dels ressonadors planes és un dels problemes difícils que tenen els investigadors.
Diferents dels materials tradicionals de semiconductors, els aïllants topològics 3D (com ara Telluride Bismuth, Telluride antimoni, Selenur de Bismut, etc.) són nous materials d'informació amb estats de superfície metàl·lica protegits topològicament i estats aïllants. L’estat superficial està protegit per la simetria de la inversió del temps i els seus electrons no estan dispersos per impureses no magnètiques, que tenen perspectives d’aplicació importants en computació quàntica de baixa potència i dispositius espintrònics. Al mateix temps, els materials aïllants topològics també mostren excel·lents propietats òptiques, com ara un índex de refracció elevat, gran no linealòpticcoeficient, àmplia gamma d’espectre de treball, sintonització, integració fàcil, etc., que proporciona una nova plataforma per a la realització de la regulació de la llum idispositius optoelectrònics.
Un equip d’investigació a la Xina ha proposat un mètode per a la fabricació de ressonadors òptics ultra-prims mitjançant l’ús de nanofilms d’aïllament topològics de bismut de gran àrea que creixen. La cavitat òptica mostra característiques evidents d’absorció de ressonància en una banda d’infrarojos propers. Bismuth Telluride té un índex de refracció molt elevat de més de 6 a la banda de comunicació òptica (superior a l’índex de refracció de materials tradicionals d’índex d’alta refracció com el silici i el germani), de manera que el gruix de la cavitat òptica pot arribar a la longitud d’ona de ressonància. Al mateix temps, el ressonador òptic es diposita en un cristall fotònic unidimensional i s’observa un nou efecte de transparència induïda electromagnèticament a la banda de comunicació òptica, que es deu a l’acoblament del ressonador amb el plasmó TAMM i a 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 ambient. Aquest treball obre una nova manera per a la realització de la cavitat òptica d’ultratina, la regulació de l’espectre de materials d’aïllament topològic i els dispositius optoelectrònics.
Com es mostra a la Fig. 1A i 1B, el ressonador òptic està format principalment per un aïllant topològic de Telluride Bismuth i nanofilms de plata. Els nanofilms de Telluride Bismuth elaborats per Sputtering Magnetron tenen una gran àrea i una bona planitud. Quan el gruix de les pel·lícules de bismut i de 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 TA2O5 (182 nm) i SiO2 (260 nm) capes (Figura 1E), va aparèixer una vall d’absorció distinta (figura 1F) a prop del pic d’absorció original de ressonant (~ 1550 nm), que és similar a l’efecte de transparència induïda per l’electromagis.

El material de Telluride Bismut es va caracteritzar per microscòpia electrònica de transmissió i elipsometria. Fig. 2A-2C mostra micrografies d’electrons de transmissió (imatges d’alta resolució) i patrons de difracció d’electrons seleccionats de nanofilms de tellurur de bismut. Es pot veure a la figura que els nanofilms de bismut preparats són materials policristal·lins i que l’orientació principal del creixement és (015) pla de cristall. La figura 2D-2F mostra el complex índex de refracció de tellurur de bismut mesurat per el·lipòmetre i l’índex de refracció del complex de l’estat de la superfície i l’estat ajustat. Els resultats mostren que el coeficient d'extinció de l'estat superficial és superior a l'índex de refracció en un rang de 230 ~ 1930 nm, mostrant característiques similars al metall. L’índex de refracció del cos és superior a 6 quan la longitud d’ona és superior a 1385 nm, molt superior al del silici, al germani i altres materials tradicionals d’índex alts refractius d’aquesta banda, que posa una base per a la preparació de ressonadors òptics ultra-prims. Els investigadors assenyalen que es tracta de la primera constatació de la cavitat òptica plana aïllant topològica amb un gruix de només desenes de nanòmetres a la banda de comunicació òptica. Posteriorment, es va mesurar l’espectre d’absorció i la longitud d’ona de ressonància de la cavitat òptica ultra-fina amb el gruix de bismut. Finalment, s’investiga l’efecte del gruix de la pel·lícula de plata sobre els espectres de transparència induïts electromagnèticament en les estructures de nanocavitat de bismut.

Mitjançant la preparació de pel·lícules primes de gran àrea plana d’aïllants topològics de Telluride Bismuth i aprofitant l’índex de refracció ultra-alta de materials de bismut en la banda d’infrarojos propers, s’obté una cavitat òptica plana amb un gruix de només desenes de nanòmetres. La cavitat òptica ultra-fina pot realitzar una absorció de llum ressonant eficient a la banda d’infrarojos propers i té un valor important d’aplicació en el desenvolupament de dispositius optoelectrònics a la banda de comunicació òptica. El gruix de la cavitat òptica de bismut és lineal a la longitud d’ona ressonant i és menor que la de la cavitat òptica de silici i germani similar. Al mateix temps, la cavitat òptica de Telluride Bismuth s’integra amb el cristall fotònic per aconseguir l’efecte òptic anòmal similar a la transparència induïda electromagnèticament del sistema atòmic, que proporciona un nou mètode per a la regulació de l’espectre de la microstructura. Aquest estudi té un cert paper en la promoció de la investigació de materials aïllants topològics en la regulació lleugera i els dispositius funcionals òptics.