Optiskt kommunikationsband, ultratunn optisk resonator

Optiskt kommunikationsband, ultratunn optisk resonator
Optiska resonatorer kan lokalisera specifika våglängder av ljusvågor i ett begränsat utrymme och har viktiga tillämpningar inom ljus-materia-växelverkan,optisk kommunikation, optisk avkänning och optisk integration. Resonatorns storlek beror huvudsakligen på materialets egenskaper och driftsvåglängden, till exempel kräver kiselresonatorer som arbetar i det nära infraröda bandet vanligtvis optiska strukturer på hundratals nanometer och mer. Under senare år har ultratunna plana optiska resonatorer väckt stor 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 (såsom 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 inom kvantberäkningar med låg effekt och spintroniska enheter. Samtidigt uppvisar topologiska isolatormaterial också utmärkta optiska egenskaper, såsom högt brytningsindex, stor ickelinjär spänning.optiskkoefficient, brett arbetsspektrum, avstämbarhet, enkel integration etc., vilket ger en ny plattform för att förverkliga ljusreglering ochoptoelektroniska anordningar.
Ett forskarteam i Kina har föreslagit en metod för tillverkning av ultratunna optiska resonatorer genom att använda nanofilmer av vismuttellurid topologiska isolatorer med stor yta. Den optiska kaviteten uppvisar tydliga resonansabsorptionsegenskaper i det nära infraröda bandet. Vismuttellurid har ett mycket högt brytningsindex på mer än 6 i det optiska kommunikationsbandet (högre än brytningsindexet för traditionella material med högt brytningsindex såsom kisel och germanium), så att den optiska kavitetens tjocklek kan nå en tjugondel av resonansvåglängden. Samtidigt avsätts den optiska resonatorn på en endimensionell fotonisk kristall, och en ny elektromagnetiskt inducerad transparenseffekt observeras i det optiska kommunikationsbandet, vilket beror på resonatorns koppling med Tamm-plasmonen och dess destruktiva interferens. Det spektrala svaret för denna effekt beror på den optiska resonatorns tjocklek och är robust mot förändringar i det omgivande brytningsindexet. Detta arbete öppnar upp ett nytt sätt för att förverkliga ultratunna optiska kaviteter, spektrumreglering av topologiska isolatormaterial och optoelektroniska anordningar.
Som visas i FIG. 1a och 1b består den optiska resonatorn huvudsakligen av en topologisk isolator av vismuttellurid och silver-nanofilmer. Vismuttellurid-nanofilmerna som framställts genom magnetronsputtring har stor area och god planhet. När tjockleken på vismuttellurid- och silverfilmerna är 42 nm respektive 30 nm uppvisar den optiska kaviteten stark resonansabsorption i bandet 1100~1800 nm (Figur 1c). När forskarna integrerade denna optiska kavitet på en fotonisk kristall gjord av alternerande staplar av Ta2O5 (182 nm) och SiO2 (260 nm) lager (Figur 1e), uppstod en distinkt absorptionsdal (Figur 1f) nära den ursprungliga resonanta absorptionstoppen (~1550 nm), vilket liknar den elektromagnetiskt inducerade transparenseffekten som produceras av atomära system.

Vismuttelluridmaterialet karakteriserades med transmissionselektronmikroskopi och ellipsometri. FIG. 2a-2c visar transmissionselektronmikroskopibilder (högupplösta bilder) och utvalda elektrondiffraktionsmönster för vismuttellurid-nanofilmer. Det framgår av figuren att de framställda vismuttellurid-nanofilmerna är polykristallina material, och den huvudsakliga tillväxtorienteringen är (015) kristallplanet. Figur 2d-2f visar det komplexa brytningsindexet för vismuttellurid mätt med ellipsometer och det anpassade yttillståndet och tillståndets komplexa 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 grunden för framställningen av ultratunna optiska resonatorer. Forskarna påpekar att detta är den första rapporterade realiseringen av en topologisk isolators planar optiska 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 silverfilmens tjocklek på elektromagnetiskt inducerade transparensspektra i vismuttellurid-nanokavitet/fotoniska kristallstrukturer.

Genom att framställa stora, platta, tunna filmer av vismuttellurid-topologiska isolatorer, och genom att utnyttja det ultrahöga brytningsindexet hos vismuttelluridmaterial i det nära infraröda bandet, erhålls en plan optisk kavitet med en tjocklek på endast tiotals nanometer. Den ultratunna optiska kaviteten kan uppnå effektiv resonant ljusabsorption i det nära infraröda bandet och har ett viktigt tillämpningsvärde vid utveckling av optoelektroniska anordningar i det optiska kommunikationsbandet. Tjockleken på vismuttellurid-optiska kaviteten är linjär mot resonansvåglängden och är mindre än den för liknande kisel- och germaniumoptiska kaviteter. Samtidigt integreras vismuttellurid-optiska kaviteten med fotoniska kristaller för att uppnå den anomala optiska effekten som liknar den elektromagnetiskt inducerade transparensen i atomsystemet, vilket ger en ny metod för spektrumreglering av mikrostruktur. Denna studie spelar en viss roll för att främja forskningen om topologiska isolatormaterial inom ljusreglering och optiska funktionella anordningar.