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 pada pita inframerah dekat biasanya membutuhkan struktur optik ratusan nanometer atau lebih. Dalam beberapa tahun terakhir, resonator optik planar ultra-tipis telah menarik banyak perhatian karena potensi aplikasinya dalam pewarnaan struktural, pencitraan holografik, pengaturan medan cahaya, dan perangkat optoelektronik. Cara mengurangi ketebalan resonator planar merupakan salah satu masalah sulit yang dihadapi para peneliti.
Berbeda dengan material semikonduktor tradisional, isolator topologi 3D (seperti bismut telurida, antimon telurida, bismut selenida, dll.) merupakan material informasi baru dengan status permukaan logam dan status isolator yang terlindungi secara topologi. Status permukaan dilindungi oleh simetri inversi waktu, dan elektronnya tidak terhambur oleh pengotor non-magnetik, yang memiliki prospek aplikasi penting dalam komputasi kuantum daya rendah dan perangkat spintronik. Pada saat yang sama, material isolator topologi juga menunjukkan sifat optik yang sangat baik, seperti indeks bias tinggi, nonlinier besar, dan sebagainya.optikkoefisien, rentang spektrum kerja yang luas, penyetelan, integrasi yang mudah, dll., yang menyediakan platform baru untuk realisasi regulasi cahaya danperangkat optoelektronik.
Tim peneliti di Tiongkok telah mengusulkan metode fabrikasi resonator optik ultratipis menggunakan nanofilm isolator topologi bismut telurida yang tumbuh di area luas. Rongga optik menunjukkan karakteristik penyerapan resonansi yang jelas dalam pita inframerah dekat. Bismut telurida 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 seperdua puluh panjang gelombang resonansi. Pada saat yang sama, resonator optik diendapkan pada kristal fotonik satu dimensi, dan efek transparansi terinduksi elektromagnetik baru diamati dalam pita komunikasi optik, yang disebabkan oleh kopling resonator dengan plasmon Tamm dan interferensi destruktifnya. Respons spektral efek ini bergantung pada ketebalan resonator optik dan bersifat robust terhadap perubahan indeks bias sekitar. Karya ini membuka cara baru untuk realisasi rongga optik ultratipis, pengaturan spektrum bahan isolator topologi, dan perangkat optoelektronik.
Seperti ditunjukkan pada Gambar 1a dan 1b, resonator optik terutama terdiri 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 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) yang berselang-seling (Gambar 1e), sebuah lembah penyerapan yang jelas (Gambar 1f) muncul di dekat puncak penyerapan resonansi asli (~1550 nm), yang serupa dengan efek transparansi yang diinduksi secara elektromagnetik yang dihasilkan oleh sistem atom.

Material bismut telurida dikarakterisasi menggunakan mikroskop elektron transmisi dan elipsometri. Gambar 2a-2c menunjukkan mikrograf elektron transmisi (gambar beresolusi tinggi) dan pola difraksi elektron terpilih dari nanofilm bismut telurida. Gambar tersebut menunjukkan bahwa nanofilm bismut telurida yang telah disiapkan merupakan material polikristalin, dengan orientasi pertumbuhan utamanya berada pada bidang kristal (015). Gambar 2d-2f menunjukkan indeks bias kompleks bismut telurida yang diukur dengan elipsometer dan keadaan permukaan serta indeks bias kompleks keadaan yang telah disesuaikan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa koefisien kepunahan keadaan permukaan lebih besar daripada indeks bias pada rentang 230~1930 nm, 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 material indeks bias tinggi tradisional lainnya pada pita ini, yang menjadi dasar untuk pembuatan resonator optik ultratipis. 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 ultratipis diukur dengan ketebalan bismut telurida. Selanjutnya, pengaruh ketebalan lapisan perak terhadap spektrum transparansi yang diinduksi secara elektromagnetik dalam struktur kristal nanocavity/fotonik bismut telurida diselidiki.

Dengan menyiapkan lapisan tipis datar berukuran luas dari isolator topologi bismut telurida, dan memanfaatkan indeks bias ultra-tinggi material bismut telurida pada pita inframerah dekat, diperoleh rongga optik planar dengan ketebalan hanya puluhan nanometer. Rongga optik ultra-tipis ini dapat mewujudkan penyerapan cahaya resonansi yang efisien pada pita inframerah dekat, dan memiliki nilai aplikasi penting dalam pengembangan perangkat optoelektronik pada pita komunikasi optik. Ketebalan rongga optik bismut telurida bersifat 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 serupa dengan transparansi sistem atom yang diinduksi secara elektromagnetik, yang menyediakan metode baru untuk regulasi spektrum struktur mikro. Penelitian ini berperan penting dalam mendorong penelitian material isolator topologi dalam regulasi cahaya dan perangkat fungsional optik.