Optiskt kommunikationsband, ultratunn optisk resonator

Optiskt kommunikationsband, ultratunn optisk resonator
Optiska resonatorer kan lokalisera specifika våglängder för ljusvågor i ett begränsat utrymme och har viktiga tillämpningar i ljus-materia-interaktion,optisk kommunikation, optisk avkänning och optisk integration. Storleken på resonatorn beror huvudsakligen på materialegenskaperna och arbetsvåglängden, till exempel kräver kiselresonatorer som arbetar i det nära infraröda bandet vanligtvis optiska strukturer på hundratals nanometer och däröver. Under de senaste åren har ultratunna plana optiska resonatorer tilldragit sig mycket uppmärksamhet på grund av deras potentiella tillämpningar inom strukturell färg, holografisk avbildning, ljusfältsreglering och optoelektroniska enheter. Hur man minskar tjockleken på plana resonatorer är ett av de svåra problemen som forskare står inför.
Till skillnad från traditionella halvledarmaterial är 3D-topologiska isolatorer (som vismuttellurid, antimontellurid, vismutselenid etc.) nya informationsmaterial med topologiskt skyddade metallyttillstånd och isolatortillstånd. Yttillståndet skyddas av tidsinversionens symmetri och dess elektroner sprids inte av icke-magnetiska föroreningar, vilket har viktiga tillämpningsmöjligheter i lågeffekts kvantberäkningar och spintroniska enheter. Samtidigt visar topologiska isolatormaterial också utmärkta optiska egenskaper, såsom högt brytningsindex, stora olinjäraoptiskkoefficient, brett arbetsspektrum, avstämbarhet, enkel integration, etc., vilket ger en ny plattform för realisering av ljusreglering ochoptoelektroniska anordningar.
Ett forskarlag i Kina har föreslagit en metod för tillverkning av ultratunna optiska resonatorer genom att använda storarea växande vismuttellurid topologiska isolatornanofilmer. Den optiska kaviteten visar uppenbara resonansabsorptionsegenskaper i nära infrarött band. Vismuttellurid har ett mycket högt brytningsindex på mer än 6 i det optiska kommunikationsbandet (högre än brytningsindexet för traditionella material med högt brytningsindex som kisel och germanium), så att den optiska kavitetens tjocklek kan nå en tjugondel av resonansen våglängd. Samtidigt deponeras den optiska resonatorn på en endimensionell fotonisk kristall, och en ny elektromagnetiskt inducerad transparenseffekt observeras i det optiska kommunikationsbandet, vilket beror på kopplingen av resonatorn med Tamm-plasmonen och dess destruktiva interferens. . Det spektrala svaret för denna effekt beror på den optiska resonatorns tjocklek och är robust mot förändringen av det omgivande brytningsindexet. Detta arbete öppnar upp ett nytt sätt för realisering av ultratunna optiska kaviteter, topologiska isolatormaterialspektrumreglering och optoelektroniska enheter.
Såsom visas i FIG. 1a och 1b, är den optiska resonatorn huvudsakligen sammansatt av en vismuttellurid topologisk isolator och silver nanofilmer. Vismuttellurid nanofilmerna framställda genom magnetronförstoftning har stor yta och god planhet. När tjockleken på vismuttellurid- och silverfilmerna är 42 nm respektive 30 nm, uppvisar den optiska kaviteten stark resonansabsorption i bandet på 1100 ~ 1800 nm (Figur 1c). När forskarna integrerade denna optiska hålighet på en fotonisk kristall gjord av alternerande staplar av Ta2O5 (182 nm) och SiO2 (260 nm) lager (Figur 1e), uppträdde en distinkt absorptionsdal (Figur 1f) nära den ursprungliga resonansabsorptionstoppen (~ 1550 nm), vilket liknar den elektromagnetiskt inducerade transparenseffekten som produceras av atomsystem.

Vismuttelluridmaterialet karakteriserades genom transmissionselektronmikroskopi och ellipsometri. FIKON. 2a-2c visar transmissionselektronmikrofotografier (högupplösta bilder) och utvalda elektrondiffraktionsmönster av vismuttellurid nanofilmer. Det kan ses från figuren att de framställda vismuttellurid nanofilmerna är polykristallina material, och den huvudsakliga tillväxtorienteringen är (015) kristallplan. Figur 2d-2f visar det komplexa brytningsindexet för vismuttellurid uppmätt med ellipsometer och det anpassade yttillståndet och tillståndskomplexets brytningsindex. Resultaten visar att extinktionskoefficienten för yttillståndet är större än brytningsindexet i intervallet 230~1930 nm, vilket visar metallliknande egenskaper. Kroppens brytningsindex är mer än 6 när våglängden är större än 1385 nm, vilket är mycket högre än för kisel, germanium och andra traditionella material med högt brytningsindex i detta band, vilket lägger en grund för framställning av ultra -tunna optiska resonatorer. Forskarna påpekar att detta är den första rapporterade realiseringen av en topologisk isolator, plan optisk kavitet med en tjocklek på endast tiotals nanometer i det optiska kommunikationsbandet. Därefter mättes absorptionsspektrumet och resonansvåglängden för den ultratunna optiska kaviteten med tjockleken av vismuttellurid. Slutligen undersöks effekten av silverfilmtjocklek på elektromagnetiskt inducerade transparensspektra i vismuttellurid nanokavitet/fotoniska kristallstrukturer

Genom att förbereda platta tunna filmer med stor yta av vismuttellurid-topologiska isolatorer, och dra fördel av det ultrahöga brytningsindexet för vismuttelluridmaterial i nära infrarött band, erhålls en plan optisk kavitet med en tjocklek av endast tiotals nanometer. Den ultratunna optiska kaviteten kan realisera effektiv resonansljusabsorption i det nära infraröda bandet och har ett viktigt tillämpningsvärde i utvecklingen av optoelektroniska enheter i det optiska kommunikationsbandet. Tjockleken på den optiska kaviteten för vismuttellurid är linjär mot resonansvåglängden och är mindre än den för liknande optiska kisel- och germaniumhåligheter. Samtidigt är vismuttellurid optisk kavitet integrerad med fotonisk kristall för att uppnå den anomala optiska effekten som liknar den elektromagnetiskt inducerade transparensen av atomsystemet, vilket ger en ny metod för spektrumreglering av mikrostruktur. Denna studie spelar en viss roll för att främja forskningen av topologiska isolatormaterial i ljusreglering och optiska funktionella enheter.