Оптическая полоса связи, сверхтонкий оптический резонатор

Оптическая полоса связи, сверхтонкий оптический резонатор
Оптические резонаторы могут локализовать определенные длины световых волн в ограниченном пространстве и имеют важные приложения во взаимодействии света с веществом.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 сверхтонкие планарные оптические резонаторы привлекают большое внимание из-за их потенциальных применений в структурном цвете, голографической визуализации, регулировании светового поля и оптоэлектронных устройствах. Уменьшение толщины планарных резонаторов является одной из сложных проблем, с которыми сталкиваются исследователи.
В отличие от традиционных полупроводниковых материалов, 3D топологические изоляторы (такие как теллурид висмута, теллурид сурьмы, селенид висмута и т. д.) являются новыми информационными материалами с топологически защищенными металлическими поверхностными состояниями и состояниями изолятора. Поверхностное состояние защищено симметрией инверсии времени, а его электроны не рассеиваются немагнитными примесями, что имеет 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, большие нелинейныеоптическийкоэффициент, широкий рабочий спектральный диапазон, настраиваемость, простота интеграции и т.д., что обеспечивает новую платформу для реализации регулирования света иоптоэлектронные приборы.
Исследовательская группа в Китае предложила метод изготовления сверхтонких оптических резонаторов с использованием нанопленок топологического изолятора теллурида висмута большой площади выращивания. Оптическая полость демонстрирует очевидные характеристики резонансного поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне. Теллурид висмута имеет очень высокий показатель преломления, более 6, в оптической полосе связи (выше, чем показатель преломления традиционных материалов с высоким показателем преломления, таких как кремний и германий), так что толщина оптической полости может достигать одной двадцатой резонансной длины волны. В то же время оптический резонатор нанесен на одномерный фотонный кристалл, и в оптической полосе связи наблюдается новый эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности, который обусловлен 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. Данная работа открывает новый путь для реализации сверхтонких оптических резонаторов, регулирования спектра топологических изоляторных материалов и оптоэлектронных устройств.
Как показано на ФИГ. 1а и 1б, 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, оптическая полость демонстрирует сильное резонансное поглощение в диапазоне 1100~1800 нм (рисунок 1c). Когда исследователи интегрировали эту оптическую полость в фотонный кристалл, изготовленный из чередующихся стопок слоев Ta2O5 (182 нм) и SiO2 (260 нм) (рисунок 1e), отчетливая долина поглощения (рисунок 1f) появилась вблизи исходного пика резонансного поглощения (~1550 нм), что похоже на эффект прозрачности, вызванный электромагнитным излучением, создаваемый атомными системами.

Материал теллурида висмута был охарактеризован с помощью просвечивающей электронной микроскопии и эллипсометрии. На ФИГ. 2a-2c показаны просвечивающие электронные микрофотографии (изображения с высоким разрешением) и выбранные картины электронной дифракции нанопленок теллурида висмута. Из рисунка видно, что приготовленные нанопленки теллурида висмута являются поликристаллическими материалами, а основная ориентация роста - кристаллическая плоскость (015). На ФИГ. 2d-2f показан комплексный показатель преломления теллурида висмута, измеренный с помощью эллипсометра, а также подобранное поверхностное состояние и комплексный показатель преломления состояния. Результаты показывают, что коэффициент экстинкции поверхностного состояния больше показателя преломления в диапазоне 230~1930 нм, что демонстрирует металлоподобные характеристики. Показатель преломления тела составляет более 6, когда длина волны больше 1385 нм, что намного выше, чем у кремния, германия и других традиционных материалов с высоким показателем преломления в этом диапазоне, что закладывает основу для изготовления сверхтонких оптических резонаторов. Исследователи отмечают, что это первая зарегистрированная реализация топологического изолятора плоской оптической полости толщиной всего в десятки нанометров в оптическом диапазоне связи. Впоследствии спектр поглощения и резонансная длина волны сверхтонкой оптической полости были измерены с толщиной теллурида висмута. Наконец, исследуется влияние толщины серебряной пленки на спектры электромагнитно-индуцированной прозрачности в структурах нанорезонатора/фотонного кристалла теллурида висмута.

Путем приготовления больших плоских тонких пленок топологических изоляторов теллурида висмута и использования сверхвысокого показателя преломления материалов теллурида висмута в ближнем инфракрасном диапазоне получается плоский оптический резонатор толщиной всего в десятки нанометров. Сверхтонкий оптический резонатор может реализовать эффективное резонансное поглощение света в ближнем инфракрасном диапазоне и имеет важное прикладное значение при разработке оптоэлектронных устройств в оптическом диапазоне связи. Толщина оптического резонатора теллурида висмута линейна относительно резонансной длины волны и меньше, чем у аналогичного кремниевого и германиевого оптического резонатора. В то же время оптический резонатор теллурида висмута интегрирован с фотонным кристаллом для достижения аномального оптического эффекта, аналогичного электромагнитно-индуцированной прозрачности атомной системы, что обеспечивает новый метод регулирования спектра микроструктуры. Это исследование играет определенную роль в содействии исследованию материалов топологических изоляторов в регулировании света и оптических функциональных устройствах.