Pita komunikasi optik, resonator optik ultra-tipis

Pita komunikasi optik, resonator optik ultra-tipis
Resonator optik dapat melokalisasi panjang gelombang cahaya tertentu dalam ruang terbatas, dan memiliki aplikasi penting dalam interaksi materi cahaya,komunikasi optik, penginderaan optik, dan integrasi optik. Ukuran resonator terutama bergantung pada karakteristik material dan panjang gelombang pengoperasian, misalnya, resonator silikon yang beroperasi pada pita inframerah dekat biasanya memerlukan struktur optik ratusan nanometer ke atas. Dalam beberapa tahun terakhir, resonator optik planar ultra-tipis telah menarik banyak perhatian karena potensi penerapannya dalam warna struktural, pencitraan holografik, pengaturan medan cahaya, dan perangkat optoelektronik. Cara mengurangi ketebalan resonator planar merupakan salah satu permasalahan sulit yang dihadapi para peneliti.
Berbeda dari bahan semikonduktor tradisional, isolator topologi 3D (seperti bismut tellurida, antimon telurida, bismut selenida, dll.) adalah bahan informasi baru dengan status permukaan logam dan status isolator yang dilindungi secara topologi. Keadaan permukaan dilindungi oleh simetri inversi waktu, dan elektronnya tidak tersebar oleh pengotor non-magnetik, yang memiliki prospek penerapan penting dalam komputasi kuantum berdaya rendah dan perangkat spintronik. Pada saat yang sama, bahan isolator topologi juga menunjukkan sifat optik yang sangat baik, seperti indeks bias tinggi, nonlinier besaroptikkoefisien, rentang spektrum kerja yang luas, kemampuan merdu, integrasi yang mudah, dll., yang menyediakan platform baru untuk realisasi regulasi cahaya danperangkat optoelektronik.
Sebuah tim peneliti di Cina telah mengusulkan metode untuk pembuatan resonator optik ultra-tipis dengan menggunakan nanofilm isolator topologi bismut tellurida yang tumbuh di area yang luas. Rongga optik menunjukkan karakteristik penyerapan resonansi yang jelas pada pita inframerah dekat. Bismut telurida memiliki indeks bias yang sangat tinggi lebih dari 6 pada pita komunikasi optik (lebih tinggi dari indeks bias bahan indeks bias tinggi tradisional seperti silikon dan germanium), sehingga ketebalan rongga optik dapat mencapai seperdua puluh resonansi panjang gelombang. Pada saat yang sama, resonator optik disimpan pada kristal fotonik satu dimensi, dan efek transparansi baru yang diinduksi secara elektromagnetik diamati pada pita komunikasi optik, yang disebabkan oleh penggabungan resonator dengan plasmon Tamm dan interferensi destruktifnya. . Respon spektral dari efek ini bergantung pada ketebalan resonator optik dan tahan terhadap perubahan indeks bias sekitar. Karya ini membuka cara baru untuk realisasi rongga optik ultra tipis, regulasi spektrum bahan isolator topologi, dan perangkat optoelektronik.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a dan 1b, resonator optik terutama terdiri dari isolator topologi bismut telurida dan nanofilm perak. Nanofilm bismut tellurida yang dibuat dengan sputtering magnetron memiliki area yang luas dan kerataan yang baik. Ketika ketebalan film bismut telurida dan perak masing-masing adalah 42 nm dan 30 nm, rongga optik menunjukkan penyerapan resonansi yang kuat pada pita 1100 ~ 1800 nm (Gambar 1c). Ketika para peneliti mengintegrasikan rongga optik ini ke dalam kristal fotonik yang terbuat dari tumpukan lapisan Ta2O5 (182 nm) dan SiO2 (260 nm) secara bergantian (Gambar 1e), lembah serapan yang berbeda (Gambar 1f) muncul di dekat puncak serapan resonansi asli (~ 1550 nm), yang mirip dengan efek transparansi yang diinduksi secara elektromagnetik yang dihasilkan oleh sistem atom.

Bahan bismut telurida dikarakterisasi dengan mikroskop elektron transmisi dan ellipsometri. ARA. 2a-2c menunjukkan mikrograf elektron transmisi (gambar resolusi tinggi) dan pola difraksi elektron terpilih dari nanofilm bismut tellurida. Terlihat dari gambar bahwa nanofilm bismut tellurida yang dibuat merupakan bahan polikristalin, dan orientasi pertumbuhan utamanya adalah (015) bidang kristal. Gambar 2d-2f menunjukkan indeks bias kompleks telurida bismut yang diukur dengan ellipsometer dan keadaan permukaan yang dipasang dan indeks bias kompleks keadaan. Hasilnya menunjukkan bahwa koefisien kepunahan keadaan permukaan lebih besar dari indeks bias pada kisaran 230~1930 nm, menunjukkan karakteristik seperti logam. Indeks bias tubuh lebih dari 6 ketika panjang gelombang lebih besar dari 1385 nm, yang jauh lebih tinggi dibandingkan silikon, germanium dan bahan indeks bias tinggi tradisional lainnya dalam pita ini, yang meletakkan dasar untuk persiapan ultra -resonator optik tipis. Para peneliti menunjukkan bahwa ini adalah realisasi pertama yang dilaporkan dari rongga optik planar isolator topologi dengan ketebalan hanya puluhan nanometer pada pita komunikasi optik. Selanjutnya, spektrum serapan dan panjang gelombang resonansi rongga optik ultra-tipis diukur dengan ketebalan bismut tellurida. Akhirnya, efek ketebalan film perak pada spektrum transparansi yang diinduksi secara elektromagnetik dalam struktur kristal nanocavity/fotonik bismut telluride diselidiki.

Dengan menyiapkan film tipis datar area luas dari isolator topologi bismut tellurida, dan memanfaatkan indeks bias ultra-tinggi dari bahan bismut tellurida dalam pita inframerah dekat, diperoleh rongga optik planar dengan ketebalan hanya puluhan nanometer. Rongga optik ultra-tipis dapat mewujudkan penyerapan cahaya resonansi yang efisien pada pita inframerah dekat, dan memiliki nilai penerapan penting dalam pengembangan perangkat optoelektronik pada pita komunikasi optik. Ketebalan rongga optik bismut telurida linier terhadap panjang gelombang resonansi, dan lebih kecil dibandingkan rongga optik silikon dan germanium serupa. Pada saat yang sama, rongga optik bismut telurida diintegrasikan dengan kristal fotonik untuk mencapai efek optik anomali yang serupa dengan transparansi sistem atom yang diinduksi secara elektromagnetik, yang menyediakan metode baru untuk pengaturan spektrum struktur mikro. Studi ini memainkan peran tertentu dalam mempromosikan penelitian bahan isolator topologi dalam pengaturan cahaya dan perangkat fungsional optik.