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 di pita inframerah dekat biasanya membutuhkan struktur optik ratusan nanometer ke atas. Dalam beberapa tahun terakhir, resonator optik planar ultra-tipis telah menarik banyak perhatian karena potensi aplikasinya dalam warna struktural, pencitraan holografik, pengaturan medan cahaya, dan perangkat optoelektronik. Bagaimana mengurangi ketebalan resonator planar adalah salah satu masalah sulit yang dihadapi oleh para peneliti.
Berbeda dengan material semikonduktor tradisional, isolator topologi 3D (seperti bismut tellurida, antimon tellurida, bismut selenida, dll.) adalah material informasi baru dengan keadaan permukaan logam dan keadaan isolator yang terlindungi secara topologi. Keadaan permukaan dilindungi oleh simetri inversi waktu, dan elektronnya tidak dihamburkan oleh pengotor non-magnetik, yang memiliki prospek aplikasi penting dalam komputasi kuantum berdaya rendah dan perangkat spintronik. Pada saat yang sama, material isolator topologi juga menunjukkan sifat optik yang sangat baik, seperti indeks bias tinggi, nonlinieritas besar.optikkoefisien, rentang spektrum kerja yang luas, kemampuan penyetelan, integrasi yang mudah, dll., yang menyediakan platform baru untuk mewujudkan pengaturan cahaya danperangkat optoelektronik.
Sebuah tim peneliti di Tiongkok telah mengusulkan metode untuk fabrikasi resonator optik ultra-tipis dengan menggunakan nanofilm isolator topologi bismut tellurida yang tumbuh di area luas. Rongga optik menunjukkan karakteristik penyerapan resonansi yang jelas pada pita inframerah dekat. Bismut tellurida memiliki indeks bias yang sangat tinggi, lebih dari 6, pada pita komunikasi optik (lebih tinggi daripada indeks bias material indeks bias tinggi tradisional seperti silikon dan germanium), sehingga ketebalan rongga optik dapat mencapai seperduapuluh dari panjang gelombang resonansi. Pada saat yang sama, resonator optik diendapkan pada kristal fotonik satu dimensi, dan efek transparansi yang diinduksi secara elektromagnetik yang baru diamati pada pita komunikasi optik, yang disebabkan oleh kopling resonator dengan plasmon Tamm dan interferensi destruktifnya. Respons spektral dari efek ini bergantung pada ketebalan resonator optik dan tahan terhadap perubahan indeks bias lingkungan. Karya ini membuka jalan baru untuk mewujudkan rongga optik ultra tipis, pengaturan spektrum material isolator topologi, dan perangkat optoelektronik.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a dan 1b, resonator optik terutama terdiri dari isolator topologi bismut tellurida dan nanofilm perak. Nanofilm bismut tellurida yang dibuat dengan metode sputtering magnetron memiliki area yang luas dan kerataan yang baik. Ketika ketebalan film bismut tellurida 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 susunan lapisan Ta2O5 (182 nm) dan SiO2 (260 nm) yang berselang-seling (Gambar 1e), lembah penyerapan yang berbeda (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.

Material bismut tellurida dikarakterisasi dengan mikroskop elektron transmisi dan elipsometri. Gambar 2a-2c menunjukkan mikrograf elektron transmisi (gambar resolusi tinggi) dan pola difraksi elektron terpilih dari nanofilm bismut tellurida. Dapat dilihat dari gambar bahwa nanofilm bismut tellurida yang disiapkan adalah material polikristalin, dan orientasi pertumbuhan utamanya adalah bidang kristal (015). Gambar 2d-2f menunjukkan indeks bias kompleks bismut tellurida yang diukur dengan elipsometer dan keadaan permukaan serta indeks bias kompleks keadaan yang sesuai. Hasilnya menunjukkan bahwa koefisien ekstingsi keadaan permukaan lebih besar daripada indeks bias dalam rentang 230~1930 nm, menunjukkan karakteristik seperti logam. Indeks bias material tersebut lebih dari 6 ketika panjang gelombang lebih besar dari 1385 nm, yang jauh lebih tinggi daripada silikon, germanium, dan material indeks bias tinggi tradisional lainnya dalam pita ini, yang meletakkan dasar untuk pembuatan 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 absorbsi dan panjang gelombang resonansi rongga optik ultra-tipis diukur dengan ketebalan bismut tellurida. Terakhir, pengaruh ketebalan film perak pada spektrum transparansi yang diinduksi secara elektromagnetik dalam struktur nanokavitas bismut tellurida/kristal fotonik diselidiki.

Dengan menyiapkan film tipis datar area luas dari isolator topologi bismut tellurida, dan memanfaatkan indeks bias ultra-tinggi material bismut tellurida dalam pita inframerah dekat, diperoleh rongga optik planar dengan ketebalan hanya puluhan nanometer. Rongga optik ultra-tipis ini 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 tellurida berbanding lurus dengan panjang gelombang resonansi, dan lebih kecil daripada rongga optik silikon dan germanium yang serupa. Pada saat yang sama, rongga optik bismut tellurida diintegrasikan dengan kristal fotonik untuk mencapai efek optik anomali yang mirip dengan transparansi yang diinduksi secara elektromagnetik dari sistem atom, yang menyediakan metode baru untuk pengaturan spektrum mikrostruktur. Studi ini memainkan peran tertentu dalam mempromosikan penelitian material isolator topologi dalam pengaturan cahaya dan perangkat fungsional optik.