Оптична комуникационна лента, ултратънък оптичен резонатор

Оптична комуникационна лента, ултратънък оптичен резонатор
Оптичните резонатори могат да локализират специфични дължини 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 структурен цвят, холографски изображения, регулиране на светлинното поле и оптоелектронни устройства. Как да се намали дебелината на планарните резонатори е един от трудните проблеми, пред които са изправени изследователите.
Различни от традиционните полупроводникови материали, 3D топологичните изолатори (като бисмутов телурид, антимонов телурид, бисмутов селенид и др.) са нови информационни материали с топологично защитени състояния на металната повърхност и състояния на изолатора. 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 спинтроничните устройства. В същото време топологичните изолационни материали също показват отлични оптични свойства, като висок индекс на пречупване, големи нелинейниоптиченкоефициент, широк обхват на работен спектър, възможност за настройка, лесна интеграция и т.н., 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 топологични изолаторни нанофилми от бисмутов телурид с голяма площ. Оптичната кухина показва очевидни характеристики на резонансно поглъщане в близката инфрачервена лента. Бисмутовият телурид има много висок индекс на пречупване от повече от 6 в оптичната комуникационна лента (по-висок от индекса на пречупване на традиционните материали с висок индекс на пречупване като силиций и германий), така че дебелината на оптичната кухина може да достигне една двадесета от резонанса дължина на вълната. В същото време оптичният резонатор се отлага 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 разрушителна интерференция . Спектралната реакция на този ефект зависи от дебелината на оптичния резонатор и е устойчива на промяната на индекса на пречупване на околната среда. Тази работа открива нов начин за реализиране на ултратънка оптична кухина, регулиране на спектъра на топологичен изолационен материал и оптоелектронни устройства.
Както е показано на фиг. 1a и 1b, оптичният резонатор се състои 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 среброто е съответно 42 nm и 30 nm, оптичната кухина проявява силно резонансно поглъщане в лентата от 1100 ~ 1800 nm (Фигура 1c). Когато изследователите интегрират тази оптична кухина върху фотонен кристал, направен от редуващи се купчини от Ta2O5 (182 nm) и SiO2 (260 nm) слоеве (Фигура 1e), се появява отчетлива абсорбционна долина (Фигура 1f) близо до оригиналния резонансен пик на абсорбция (~ 1550 nm), което е подобно на електромагнитно индуцирания ефект на прозрачност, произведен от атомни системи.

Материалът от бисмутов телурид се характеризира с трансмисионна електронна микроскопия и елипсометрия. Фиг. 2a-2c показва трансмисионни електронни микрографии (изображения с висока разделителна способност) и избрани модели на електронна дифракция на нанофилми от бисмутов телурид. От фигурата може да се види, че подготвените нанофилми от бисмутов телурид са поликристални материали и основната ориентация на растеж е (015) кристална равнина. Фигура 2d-2f показва комплексния индекс на пречупване на бисмутов телурид, измерен с елипсометър и монтираното състояние на повърхността и комплексния 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, показвайки характеристики, подобни на метал. 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 това на силиций, германий и други традиционни материали с висок индекс на пречупване в тази лента, което поставя основата за подготовката на ултра -тънки оптични резонатори. Изследователите посочват, че това е първата докладвана реализация на топологична изолаторна плоска оптична кухина с дебелина само десетки нанометри в оптичната комуникационна лента. Впоследствие абсорбционният спектър и резонансната дължина на вълната на ултратънката оптична кухина бяха измерени с дебелината на бисмутовия телурид. И накрая, изследва се ефектът от дебелината на сребърния филм върху електромагнитно индуцираните спектри на прозрачност в нанокухини/фотонни кристални структури на бисмутов телурид

Чрез приготвяне на плоски тънки филми с голяма площ от топологични изолатори на бисмутов телурид и използване на ултрависокия индекс на пречупване на материалите на бисмутов телурид в близката инфрачервена лента се получава планарна оптична кухина с дебелина само десетки нанометри. Свръхтънката оптична кухина може да реализира ефективно резонансно поглъщане на светлина в близката инфрачервена лента и има важна приложна стойност при разработването на оптоелектронни устройства в оптичната комуникационна лента. Дебелината на оптичната кухина от бисмутов телурид е линейна спрямо резонансната дължина на вълната и е по-малка от тази на подобна оптична кухина от силиций и германий. В същото време оптичната кухина на бисмутовия 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 регулирането на светлината и оптичните функционални устройства.