Оптична комуникационна лента, ултратънък оптичен резонатор
Оптичните резонатори могат да локализират специфични дължини на вълните на светлинните вълни в ограничено пространство и имат важни приложения във взаимодействието светлина-материя.оптична комуникация, оптично наблюдение и оптична интеграция. Размерът на резонатора зависи главно от характеристиките на материала и работната дължина на вълната, например силициевите резонатори, работещи в близката инфрачервена лента, обикновено изискват оптични структури от стотици нанометри и повече. През последните години ултратънките планарни оптични резонатори привлякоха много внимание поради потенциалните им приложения в структурното оцветяване, холографското изобразяване, регулирането на светлинното поле и оптоелектронните устройства. Как да се намали дебелината на планарните резонатори е един от трудните проблеми, пред които са изправени изследователите.
За разлика от традиционните полупроводникови материали, 3D топологичните изолатори (като бисмутов телурид, антимонов телурид, бисмутов селенид и др.) са нови информационни материали с топологично защитени метални повърхностни състояния и изолационни състояния. Повърхностното състояние е защитено от симетрията на времевата инверсия и неговите електрони не се разпръскват от немагнитни примеси, което има важни перспективи за приложение в квантовите изчисления с ниска мощност и спинтронните устройства. В същото време топологичните изолационни материали показват и отлични оптични свойства, като висок коефициент на пречупване, голяма нелинейност...оптиченкоефициент, широк работен спектър, настройваемост, лесна интеграция и др., което осигурява нова платформа за реализиране на регулиране на светлината иоптоелектронни устройства.
Изследователски екип в Китай предложи метод за производство на ултратънки оптични резонатори чрез използване на растящи с голяма площ топологични изолационни нанофилми от бисмутов телурид. Оптичната кухина показва очевидни характеристики на резонансно поглъщане в близкия инфрачервен диапазон. Бисмутовият телурид има много висок коефициент на пречупване над 6 в оптичната комуникационна лента (по-висок от коефициента на пречупване на традиционните материали с висок коефициент на пречупване като силиций и германий), така че дебелината на оптичната кухина може да достигне една двадесета от резонансната дължина на вълната. В същото време оптичният резонатор е отложен върху едномерен фотонен кристал и се наблюдава нов електромагнитно индуциран ефект на прозрачност в оптичната комуникационна лента, който се дължи на свързването на резонатора с плазмона на Там и неговата деструктивна интерференция. Спектралният отклик на този ефект зависи от дебелината на оптичния резонатор и е устойчив на промяната на околния коефициент на пречупване. Тази работа открива нов начин за реализиране на ултратънка оптична кухина, регулиране на спектъра на топологични изолационни материали и оптоелектронни устройства.
Както е показано на Фиг. 1a и 1b, оптичният резонатор е съставен главно от топологичен изолатор от бисмутов телурид и сребърни нанофилми. Нанофилмите от бисмутов телурид, получени чрез магнетронно разпрашване, имат голяма площ и добра плоскост. Когато дебелината на филмите от бисмутов телурид и сребро е съответно 42 nm и 30 nm, оптичната кухина показва силно резонансно поглъщане в лентата от 1100~1800 nm (Фигура 1c). Когато изследователите интегрирали тази оптична кухина върху фотонен кристал, направен от редуващи се стекове от слоеве Ta2O5 (182 nm) и SiO2 (260 nm) (Фигура 1e), близо до първоначалния резонансен пик на поглъщане (~1550 nm) се появи отчетлива абсорбционна долина (Фигура 1f), която е подобна на електромагнитно индуцирания ефект на прозрачност, произведен от атомни системи.
Материалът от бисмутов телурид е характеризиран чрез трансмисионна електронна микроскопия и елипсометрия. Фиг. 2a-2c показват трансмисионни електронни микрографии (изображения с висока резолюция) и избрани електронни дифракционни картини на нанофилми от бисмутов телурид. От фигурата може да се види, че приготвените нанофилми от бисмутов телурид са поликристални материали, а основната ориентация на растеж е кристалната равнина (015). Фигура 2d-2f показва комплексния индекс на пречупване на бисмутовия телурид, измерен с елипсометър, и съпоставените повърхностно състояние и комплексен индекс на пречупване на състоянието. Резултатите показват, че коефициентът на екстинкция на повърхностното състояние е по-голям от индекса на пречупване в диапазона от 230~1930 nm, което показва металоподобни характеристики. Коефициентът на пречупване на тялото е повече от 6, когато дължината на вълната е по-голяма от 1385 nm, което е много по-високо от този на силиций, германий и други традиционни материали с висок коефициент на пречупване в тази лента, което полага основите за създаването на ултратънки оптични резонатори. Изследователите посочват, че това е първата докладвана реализация на топологична изолаторна планарна оптична кухина с дебелина само десетки нанометри в оптичната комуникационна лента. Впоследствие са измерени абсорбционният спектър и резонансната дължина на вълната на ултратънката оптична кухина с дебелината на бисмутовия телурид. Накрая е изследвано влиянието на дебелината на сребърния филм върху електромагнитно индуцираните спектри на прозрачност в нанокухини/фотонни кристални структури на бисмутов телурид.
Чрез приготвяне на тънки плоски филми с голяма площ от топологични изолатори на базата на бисмут телурид и използване на ултрависокия коефициент на пречупване на бисмут телуридните материали в близкия инфрачервен диапазон, се получава планарна оптична кухина с дебелина само десетки нанометри. Ултратънката оптична кухина може да реализира ефективно резонансно поглъщане на светлина в близкия инфрачервен диапазон и има важна приложна стойност при разработването на оптоелектронни устройства в оптичния комуникационен диапазон. Дебелината на оптичната кухина на базата на бисмут телурид е линейна спрямо резонансната дължина на вълната и е по-малка от тази на подобни силициеви и германиеви оптични кухини. В същото време, оптичната кухина на базата на бисмут телурид е интегрирана с фотонен кристал, за да се постигне аномален оптичен ефект, подобен на електромагнитно индуцираната прозрачност на атомната система, което осигурява нов метод за регулиране на спектъра на микроструктурата. Това изследване играе определена роля в насърчаването на изследванията на топологични изолационни материали в областта на регулирането на светлината и оптичните функционални устройства.
Време на публикуване: 30 септември 2024 г.