Оптический диапазон связи, сверхтонкий оптический резонатор
Оптические резонаторы позволяют локализовать определенные длины волн световых волн в ограниченном пространстве и находят важное применение во взаимодействии света с материей.оптическая связьОптическое зондирование и оптическая интеграция. Размер резонатора в основном зависит от характеристик материала и рабочей длины волны; например, кремниевые резонаторы, работающие в ближнем инфракрасном диапазоне, обычно требуют оптических структур толщиной в сотни нанометров и более. В последние годы сверхтонкие планарные оптические резонаторы привлекли большое внимание благодаря их потенциальным применениям в структурной окраске, голографической визуализации, регулировании светового поля и оптоэлектронных устройствах. Уменьшение толщины планарных резонаторов является одной из сложных проблем, стоящих перед исследователями.
В отличие от традиционных полупроводниковых материалов, трехмерные топологические изоляторы (такие как теллурид висмута, теллурид сурьмы, селенид висмута и др.) представляют собой новые информационные материалы с топологически защищенными поверхностными состояниями металла и состояниями изолятора. Поверхностное состояние защищено симметрией обращения времени, и его электроны не рассеиваются немагнитными примесями, что открывает важные перспективы применения в маломощных квантовых вычислениях и спинтронных устройствах. В то же время топологические изоляторы также демонстрируют превосходные оптические свойства, такие как высокий показатель преломления и большая нелинейность.оптическийкоэффициент, широкий диапазон рабочего спектра, возможность регулировки, простота интеграции и т.д., что обеспечивает новую платформу для реализации регулирования освещения.оптоэлектронные устройства.
Китайская исследовательская группа предложила метод изготовления сверхтонких оптических резонаторов с использованием нанопленок топологического изолятора теллурида висмута, выращенных на больших площадях. Оптический резонатор демонстрирует явные характеристики резонансного поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне. Теллурид висмута имеет очень высокий показатель преломления, превышающий 6 в диапазоне оптической связи (выше, чем показатель преломления традиционных материалов с высоким показателем преломления, таких как кремний и германий), поэтому толщина оптического резонатора может достигать одной двадцатой резонансной длины волны. В то же время, оптический резонатор наносится на одномерный фотонный кристалл, и в диапазоне оптической связи наблюдается новый электромагнитно-индуцированный эффект прозрачности, обусловленный связью резонатора с плазмоном Тамма и его деструктивной интерференцией. Спектральный отклик этого эффекта зависит от толщины оптического резонатора и устойчив к изменению показателя преломления окружающей среды. Эта работа открывает новый путь для реализации сверхтонких оптических резонаторов, регулирования спектра топологического изолятора и оптоэлектронных устройств.
Как показано на фиг. 1a и 1b, оптический резонатор в основном состоит из топологического изолятора теллурида висмута и нанопленок серебра. Нанопленки теллурида висмута, полученные методом магнетронного распыления, имеют большую площадь и хорошую плоскостность. Когда толщина пленок теллурида висмута и серебра составляет 42 нм и 30 нм соответственно, оптический резонатор демонстрирует сильное резонансное поглощение в диапазоне 1100–1800 нм (рис. 1c). Когда исследователи интегрировали этот оптический резонатор в фотонный кристалл, состоящий из чередующихся слоев Ta2O5 (182 нм) и SiO2 (260 нм) (рис. 1e), вблизи исходного пика резонансного поглощения (~1550 нм) появился отчетливый провал поглощения (рис. 1f), аналогичный эффекту электромагнитно-индуцированной прозрачности, создаваемому атомными системами.
Материал на основе теллурида висмута был охарактеризован с помощью просвечивающей электронной микроскопии и эллипсометрии. На рис. 2а-2с показаны просвечивающие электронные микроснимки (изображения высокого разрешения) и выбранные дифракционные картины электронов нанопленок теллурида висмута. Из рисунка видно, что полученные нанопленки теллурида висмута представляют собой поликристаллические материалы, и основная ориентация роста — кристаллическая плоскость (015). На рис. 2d-2f показан комплексный показатель преломления теллурида висмута, измеренный эллипсометром, а также подобранные значения показателя преломления поверхностного состояния и состояния. Результаты показывают, что коэффициент поглощения поверхностного состояния превышает показатель преломления в диапазоне 230–1930 нм, что свидетельствует о металлоподобных характеристиках. Показатель преломления материала превышает 6 при длине волны более 1385 нм, что значительно выше, чем у кремния, германия и других традиционных материалов с высоким показателем преломления в этом диапазоне, и закладывает основу для создания сверхтонких оптических резонаторов. Исследователи отмечают, что это первая зарегистрированная реализация планарного оптического резонатора на основе топологического изолятора толщиной всего в несколько десятков нанометров в диапазоне оптической связи. Затем были измерены спектр поглощения и резонансная длина волны сверхтонкого оптического резонатора при толщине теллурида висмута. Наконец, исследовано влияние толщины серебряной пленки на спектры электромагнитно-индуцированной прозрачности в нанорезонаторе/фотонно-кристаллической структуре из теллурида висмута.
Путем получения плоских тонких пленок топологических изоляторов из теллурида висмута большой площади и использования сверхвысокого показателя преломления материалов из теллурида висмута в ближнем инфракрасном диапазоне, была получена планарная оптическая полость толщиной всего в десятки нанометров. Эта сверхтонкая оптическая полость позволяет эффективно осуществлять резонансное поглощение света в ближнем инфракрасном диапазоне и имеет важное практическое значение в разработке оптоэлектронных устройств в диапазоне оптической связи. Толщина оптической полости из теллурида висмута линейно зависит от резонансной длины волны и меньше, чем у аналогичных оптических полостей из кремния и германия. В то же время, интеграция оптической полости из теллурида висмута с фотонным кристаллом позволяет достичь аномального оптического эффекта, подобного электромагнитно-индуцированной прозрачности атомной системы, что обеспечивает новый метод регулирования спектра микроструктуры. Данное исследование играет определенную роль в развитии исследований топологических изоляторов в области регулирования света и оптических функциональных устройств.
Дата публикации: 30 сентября 2024 г.