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 более. В последние годы сверхтонкие планарные оптические резонаторы привлекают большое внимание благодаря их потенциальному применению в устройствах структурной цветопередачи, голографической визуализации, регуляции светового поля и оптоэлектронных устройствах. Уменьшение толщины планарных резонаторов является одной из сложных задач, стоящих перед исследователями.
В отличие от традиционных полупроводниковых материалов, трёхмерные топологические изоляторы (такие как теллурид висмута, теллурид сурьмы, селенид висмута и др.) представляют собой новые информационные материалы с топологически защищёнными поверхностными состояниями металла и состояниями диэлектрика. Поверхностное состояние защищено симметрией обращения времени, а его электроны не рассеиваются немагнитными примесями, что открывает важные перспективы применения в маломощных квантовых вычислениях и спинтронных устройствах. Кроме того, топологические изоляторы 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 из Китая предложила метод изготовления сверхтонких оптических резонаторов с использованием нанопленок топологического изолятора теллурида висмута большой площади выращивания. Оптический резонатор демонстрирует очевидные характеристики резонансного поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне. Теллурид висмута имеет очень высокий показатель преломления, более 6, в оптическом диапазоне 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 длины волны. В то же время оптический резонатор нанесен на одномерный фотонный кристалл, и в оптическом диапазоне 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 рис. 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. При толщине пленок теллурида висмута и серебра 42 нм и 30 нм соответственно оптический резонатор демонстрирует сильное резонансное поглощение в диапазоне 1100–1800 нм (рисунок 1c). Когда исследователи интегрировали этот оптический резонатор в фотонный кристалл, состоящий из чередующихся стопок слоев Ta2O5 (182 нм) и SiO2 (260 нм) (рисунок 1e), вблизи исходного пика резонансного поглощения (~1550 нм) появилась отчетливая долина поглощения (рисунок 1f), что аналогично эффекту электромагнитно-индуцированной прозрачности, создаваемому атомными системами.
Материал теллурида висмута был охарактеризован с помощью просвечивающей электронной микроскопии и эллипсометрии. На рис. 2a–2c показаны просвечивающие электронные микрофотографии (изображения высокого разрешения) и выбранные электронограммы нанопленок теллурида висмута. Из рисунка видно, что полученные нанопленки теллурида висмута являются поликристаллическими материалами с основной ориентацией роста (015) кристаллографической плоскости. На рис. 2d–2f показаны 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 превышает показатель преломления в диапазоне 230–1930 нм, что свидетельствует о металлоподобных характеристиках. Показатель преломления тела 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, что закладывает основу для создания сверхтонких оптических резонаторов. Исследователи отмечают, что это первая зарегистрированная реализация планарного оптического резонатора на основе топологического изолятора толщиной всего несколько десятков нанометров в диапазоне оптической связи. Впоследствии спектр поглощения и резонансная длина волны сверхтонкого оптического резонатора были измерены с использованием толщины теллурида висмута. Наконец, исследуется влияние толщины серебряной пленки на спектры электромагнитно-индуцированной прозрачности в структурах нанорезонатор/фотонный кристалл теллурида висмута.
Путем изготовления больших плоских тонких пленок топологических изоляторов теллурида висмута и использования сверхвысокого показателя преломления материалов на основе теллурида висмута в ближнем инфракрасном диапазоне получен 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 диапазоне оптической связи. Толщина оптического резонатора теллурида висмута линейна относительно резонансной длины волны и меньше, чем у аналогичных кремниевых и германиевых оптических резонаторов. 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. Данное исследование играет определенную роль в продвижении исследований материалов топологических изоляторов в регулировании света и оптических функциональных устройствах.
Время публикации: 30 сентября 2024 г.