Оптический диапазон связи, ультратонкий оптический резонатор
Оптические резонаторы могут локализовать световые волны определенной длины в ограниченном пространстве и имеют важные применения во взаимодействии света и материи.оптическая связь, оптическое 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 размером в сотни нанометров и выше. В последние годы ультратонкие планарные оптические резонаторы привлекли большое внимание из-за их потенциального применения в структурном цвете, голографическом изображении, регулировании светового поля и оптоэлектронных устройствах. Как уменьшить толщину планарных резонаторов — одна из сложных проблем, с которыми сталкиваются исследователи.
В отличие от традиционных полупроводниковых материалов, трехмерные топологические изоляторы (такие как теллурид висмута, теллурид сурьмы, селенид висмута и т. д.) представляют собой новые информационные материалы с топологически защищенными состояниями поверхности металла и изоляторными состояниями. Поверхностное состояние защищено симметрией инверсии времени, а его электроны не рассеиваются немагнитными примесями, что имеет важные перспективы применения в маломощных квантовых вычислениях и устройствах спинтроники. В то же время топологические изоляционные материалы также демонстрируют отличные оптические свойства, такие как высокий показатель преломления, большие нелинейные характеристики.оптическийкоэффициент, широкий диапазон рабочего спектра, возможность настройки, простота интеграции и т. д., что обеспечивает новую платформу для реализации регулирования освещенности иоптоэлектронные устройства.
Исследовательская группа в Китае предложила метод изготовления ультратонких оптических резонаторов с использованием растущих топологических изоляционных нанопленок теллурида висмута на большой площади. Оптический резонатор демонстрирует очевидные характеристики резонансного поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне. Теллурид висмута имеет очень высокий показатель преломления более 6 в полосе оптической связи (выше, чем показатель преломления традиционных материалов с высоким показателем преломления, таких как кремний и германий), так что толщина оптического резонатора может достигать одной двадцатой резонансной. длина волны. При этом оптический резонатор нанесен на одномерный фотонный кристалл, а в полосе оптической связи наблюдается новый электромагнитно-индуцированный эффект прозрачности, обусловленный связью резонатора с таммовским плазмоном 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 топологических изоляционных материалов и оптоэлектронных устройств.
Как показано на фиг. 1а и 1б, оптический резонатор состоит в основном 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 полосе 1100 ~ 1800 нм (рис. 1в). Когда исследователи интегрировали этот оптический резонатор в фотонный кристалл, состоящий из чередующихся стопок слоев Ta2O5 (182 нм) и SiO2 (260 нм) (рис. 1e), отчетливая долина поглощения (рис. 1f) появилась вблизи исходного пика резонансного поглощения (~ 1550 нм), что аналогично электромагнитно-индуцированному эффекту прозрачности, создаваемому атомными системами.
Материал теллурида висмута охарактеризован методами просвечивающей электронной микроскопии и эллипсометрии. ИНЖИР. 2a-2c показаны трансмиссионные электронные микрофотографии (изображения высокого разрешения) и избранные электронограммы нанопленок теллурида висмута. Из рисунка видно, что полученные нанопленки теллурида висмута представляют собой поликристаллические материалы, а основной ориентацией роста является кристаллическая плоскость (015). На рисунках 2d-2f показан комплексный показатель преломления теллурида висмута, измеренный эллипсометром, а также подобранное состояние поверхности и состояние комплексного показателя преломления. Результаты показывают, что коэффициент экстинкции поверхностного состояния превышает показатель преломления в диапазоне 230–1930 нм, демонстрируя характеристики металла. Показатель преломления тела составляет более 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, что закладывает основу для получения ультра -тонкие оптические резонаторы. Исследователи отмечают, что это первая зарегистрированная реализация топологического изолятора с плоским оптическим резонатором толщиной всего лишь десятки нанометров в диапазоне оптической связи. Впоследствии были измерены спектр поглощения и резонансная длина волны сверхтонкого оптического резонатора с толщиной теллурида висмута. Наконец, исследовано влияние толщины серебряной пленки на электромагнитно-индуцированные спектры прозрачности в структурах нанополостей/фотонных кристаллов теллурида висмута.
Путем изготовления плоских тонких пленок топологических изоляторов теллурида висмута большой площади и использования сверхвысокого показателя преломления материалов теллурида висмута в ближнем инфракрасном диапазоне получается плоский оптический резонатор толщиной всего лишь десятки нанометров. Ультратонкий оптический резонатор может реализовать эффективное резонансное поглощение света в ближнем инфракрасном диапазоне и имеет важное прикладное значение при разработке оптоэлектронных устройств в диапазоне оптической связи. Толщина оптического резонатора из теллурида висмута линейно зависит от резонансной длины волны и меньше, чем у аналогичного оптического резонатора из кремния и германия. В то же время оптический резонатор из теллурида висмута интегрирован с фотонным кристаллом для достижения аномального оптического эффекта, подобного электромагнитно индуцированной прозрачности атомной системы, что обеспечивает новый метод регулирования спектра микроструктуры. Это исследование играет определенную роль в продвижении исследований топологических изоляционных материалов в светорегулирующих и оптических функциональных устройствах.
Время публикации: 30 сентября 2024 г.