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 cahaya-materi,komunikasi optik, penginderaan optik, dan integrasi optik. Ukuran resonator terutama bergantung pada karakteristik material dan panjang gelombang operasi, misalnya, resonator silikon yang beroperasi dalam pita inframerah dekat biasanya memerlukan struktur optik ratusan nanometer dan lebih. Dalam beberapa tahun terakhir, resonator optik planar ultra-tipis telah menarik banyak perhatian karena aplikasi potensialnya dalam warna struktural, pencitraan holografik, pengaturan medan cahaya, dan perangkat optoelektronik. Cara mengurangi ketebalan resonator planar merupakan salah satu masalah sulit yang dihadapi oleh para peneliti.
Berbeda dari bahan semikonduktor tradisional, isolator topologi 3D (seperti bismut telurida, antimon telurida, bismut selenida, dll.) adalah bahan informasi baru dengan keadaan permukaan logam dan keadaan isolator yang dilindungi secara topologi. Keadaan permukaan dilindungi oleh simetri inversi waktu, dan elektronnya tidak tersebar oleh pengotor non-magnetik, yang memiliki prospek aplikasi penting dalam komputasi kuantum daya 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, penyetelan, integrasi yang mudah, dll., yang menyediakan platform baru untuk realisasi regulasi cahaya danperangkat optoelektronik.
Sebuah tim peneliti di Tiongkok telah mengusulkan sebuah metode untuk fabrikasi resonator optik ultratipis dengan menggunakan nanofilm isolator topologi bismut telurida yang tumbuh di area yang luas. Rongga optik menunjukkan karakteristik penyerapan resonansi yang jelas dalam pita inframerah dekat. Bismut telurida memiliki indeks bias yang sangat tinggi, lebih dari 6 dalam pita komunikasi optik (lebih tinggi daripada indeks bias bahan indeks bias tinggi tradisional seperti silikon dan germanium), sehingga ketebalan rongga optik dapat mencapai seperduapuluh panjang gelombang resonansi. Pada saat yang sama, resonator optik diendapkan pada kristal fotonik satu dimensi, dan efek transparansi yang diinduksi secara elektromagnetik baru diamati dalam pita komunikasi optik, yang disebabkan oleh penggabungan resonator dengan plasmon Tamm dan interferensi destruktifnya. Respons spektral dari efek ini bergantung pada ketebalan resonator optik dan kuat terhadap perubahan indeks bias sekitar. Karya ini membuka cara baru untuk realisasi rongga optik sangat tipis, pengaturan spektrum bahan isolator topologi, dan perangkat optoelektronik.
Seperti yang ditunjukkan pada GAMBAR 1a dan 1b, resonator optik terutama tersusun dari isolator topologi bismut telurida dan nanofilm perak. Nanofilm bismut telurida 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 dalam pita 1100~1800 nm (Gambar 1c). Ketika para peneliti mengintegrasikan rongga optik ini ke kristal fotonik yang terbuat dari tumpukan lapisan Ta2O5 (182 nm) dan SiO2 (260 nm) yang berselang-seling (Gambar 1e), lembah penyerapan yang jelas (Gambar 1f) muncul di dekat puncak penyerapan 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 elipsometri. GAMBAR 2a-2c menunjukkan mikrograf elektron transmisi (gambar beresolusi tinggi) dan pola difraksi elektron terpilih dari nanofilm bismut telurida. Dapat dilihat dari gambar bahwa nanofilm bismut telurida yang disiapkan adalah bahan polikristalin, dan orientasi pertumbuhan utamanya adalah bidang kristal (015). Gambar 2d-2f menunjukkan indeks bias kompleks bismut telurida yang diukur dengan elipsometer dan indeks bias kompleks keadaan permukaan dan keadaan yang disesuaikan. Hasil menunjukkan bahwa koefisien kepunahan keadaan permukaan lebih besar daripada indeks bias dalam kisaran 230~1930 nm, yang menunjukkan karakteristik seperti logam. Indeks bias benda lebih dari 6 ketika panjang gelombang lebih besar dari 1385 nm, yang jauh lebih tinggi daripada silikon, germanium, dan bahan indeks bias tinggi tradisional lainnya dalam pita ini, yang menjadi dasar untuk persiapan resonator optik ultra-tipis. Para peneliti menunjukkan bahwa ini adalah realisasi pertama yang dilaporkan dari rongga optik planar isolator topologi dengan ketebalan hanya puluhan nanometer dalam pita komunikasi optik. Selanjutnya, spektrum serapan dan panjang gelombang resonansi rongga optik ultra-tipis diukur dengan ketebalan bismut telurida. Akhirnya, efek ketebalan lapisan perak pada spektrum transparansi yang diinduksi secara elektromagnetik dalam struktur kristal nano rongga/fotonik bismut telurida diselidiki.

Dengan menyiapkan lapisan tipis datar area luas dari isolator topologi bismut telurida, dan memanfaatkan indeks bias ultra-tinggi dari bahan Bismut telurida dalam pita inframerah dekat, rongga optik planar dengan ketebalan hanya puluhan nanometer diperoleh. Rongga optik ultra-tipis dapat mewujudkan penyerapan cahaya resonansi yang efisien dalam pita inframerah dekat, dan memiliki nilai aplikasi penting dalam pengembangan perangkat optoelektronik dalam pita komunikasi optik. Ketebalan rongga optik bismut telurida linier terhadap panjang gelombang resonansi, dan lebih kecil daripada rongga optik silikon dan germanium yang serupa. Pada saat yang sama, rongga optik bismut telurida diintegrasikan dengan kristal fotonik untuk mencapai efek optik anomali yang mirip 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.