Banda di comunicazione ottica, risonatore ottico ultrasottile

Banda di comunicazione ottica, risonatore ottico ultrasottile
I risonatori ottici possono localizzare lunghezze d'onda specifiche delle onde luminose in uno spazio limitato e hanno importanti applicazioni nell'interazione luce-materia,comunicazione ottica, rilevamento ottico e integrazione ottica. Le dimensioni del risonatore dipendono principalmente dalle caratteristiche del materiale e dalla lunghezza d'onda operativa; ad esempio, i risonatori al silicio che operano nella banda del vicino infrarosso richiedono solitamente strutture ottiche di centinaia di nanometri e oltre. Negli ultimi anni, i risonatori ottici planari ultrasottili hanno attirato molta attenzione per le loro potenziali applicazioni nel colore strutturale, nell'imaging olografico, nella regolazione del campo luminoso e nei dispositivi optoelettronici. Ridurre lo spessore dei risonatori planari è uno dei problemi più difficili che i ricercatori si trovano ad affrontare.
A differenza dei tradizionali materiali semiconduttori, gli isolanti topologici 3D (come il tellururo di bismuto, il tellururo di antimonio, il seleniuro di bismuto, ecc.) sono nuovi materiali informativi con stati superficiali metallici e stati isolanti topologicamente protetti. Lo stato superficiale è protetto dalla simmetria dell'inversione temporale e i suoi elettroni non vengono dispersi da impurità non magnetiche, il che offre importanti prospettive applicative nei dispositivi di calcolo quantistico a basso consumo e spintronici. Allo stesso tempo, i materiali isolanti topologici mostrano anche eccellenti proprietà ottiche, come un elevato indice di rifrazione e un'ampia non linearità.otticocoefficiente, ampio spettro di lavoro, sintonizzabilità, facile integrazione, ecc., che fornisce una nuova piattaforma per la realizzazione della regolazione della luce edispositivi optoelettronici.
Un team di ricerca in Cina ha proposto un metodo per la fabbricazione di risonatori ottici ultrasottili utilizzando nanofilm isolanti topologici di tellururo di bismuto a crescita su ampia area. La cavità ottica mostra evidenti caratteristiche di assorbimento per risonanza nella banda del vicino infrarosso. Il tellururo di bismuto ha un indice di rifrazione molto elevato, superiore a 6, nella banda delle comunicazioni ottiche (superiore all'indice di rifrazione dei materiali tradizionali ad alto indice di rifrazione come silicio e germanio), così che lo spessore della cavità ottica può raggiungere un ventesimo della lunghezza d'onda di risonanza. Allo stesso tempo, il risonatore ottico viene depositato su un cristallo fotonico monodimensionale e si osserva un nuovo effetto di trasparenza indotto elettromagneticamente nella banda delle comunicazioni ottiche, dovuto all'accoppiamento del risonatore con il plasmone di Tamm e alla sua interferenza distruttiva. La risposta spettrale di questo effetto dipende dallo spessore del risonatore ottico ed è robusta alla variazione dell'indice di rifrazione ambientale. Questo lavoro apre una nuova strada alla realizzazione di cavità ottiche ultrasottili, alla regolazione dello spettro dei materiali isolanti topologici e ai dispositivi optoelettronici.
Come mostrato nelle FIG. 1a e 1b, il risonatore ottico è composto principalmente da un isolante topologico di tellururo di bismuto e nanofilm d'argento. I nanofilm di tellururo di bismuto preparati mediante sputtering magnetronico presentano un'ampia area e una buona planarità. Quando lo spessore dei film di tellururo di bismuto e d'argento è rispettivamente di 42 nm e 30 nm, la cavità ottica mostra un forte assorbimento di risonanza nella banda 1100~1800 nm (Figura 1c). Quando i ricercatori hanno integrato questa cavità ottica in un cristallo fotonico costituito da strati alternati di Ta₂O₂ (182 nm) e SiO₂ (260 nm) (Figura 1e), è apparsa una distinta valle di assorbimento (Figura 1f) in prossimità del picco di assorbimento risonante originale (~1550 nm), simile all'effetto di trasparenza indotto elettromagneticamente prodotto dai sistemi atomici.

Il materiale di tellururo di bismuto è stato caratterizzato mediante microscopia elettronica a trasmissione ed ellissometria. Le Figure 2a-2c mostrano micrografie elettroniche a trasmissione (immagini ad alta risoluzione) e modelli di diffrazione elettronica selezionati di nanofilm di tellururo di bismuto. Dalla figura si può osservare che i nanofilm di tellururo di bismuto preparati sono materiali policristallini e l'orientamento di crescita principale è il piano cristallino (015). Le Figure 2d-2f mostrano l'indice di rifrazione complesso del tellururo di bismuto misurato dall'ellissometro e l'indice di rifrazione dello stato superficiale e dello stato complesso. I risultati mostrano che il coefficiente di estinzione dello stato superficiale è maggiore dell'indice di rifrazione nell'intervallo 230~1930 nm, mostrando caratteristiche simili a quelle dei metalli. L'indice di rifrazione del corpo è superiore a 6 quando la lunghezza d'onda è maggiore di 1385 nm, un valore molto più elevato rispetto a quello del silicio, del germanio e di altri materiali tradizionali ad alto indice di rifrazione in questa banda, il che pone le basi per la preparazione di risonatori ottici ultrasottili. I ricercatori sottolineano che questa è la prima realizzazione riportata di una cavità ottica planare isolante topologica con uno spessore di sole decine di nanometri nella banda delle comunicazioni ottiche. Successivamente, lo spettro di assorbimento e la lunghezza d'onda di risonanza della cavità ottica ultrasottile sono stati misurati con lo spessore del tellururo di bismuto. Infine, viene studiato l'effetto dello spessore del film d'argento sugli spettri di trasparenza indotti elettromagneticamente nelle strutture a nanocavità/cristallo fotonico di tellururo di bismuto.

Preparando film sottili e piani di ampia superficie di isolanti topologici in tellururo di bismuto e sfruttando l'indice di rifrazione ultraelevato dei materiali in tellururo di bismuto nella banda del vicino infrarosso, si ottiene una cavità ottica planare con uno spessore di appena poche decine di nanometri. La cavità ottica ultrasottile può realizzare un efficiente assorbimento della luce risonante nella banda del vicino infrarosso e ha un importante valore applicativo nello sviluppo di dispositivi optoelettronici nella banda delle comunicazioni ottiche. Lo spessore della cavità ottica in tellururo di bismuto è lineare rispetto alla lunghezza d'onda di risonanza ed è inferiore a quello di cavità ottiche simili in silicio e germanio. Allo stesso tempo, la cavità ottica in tellururo di bismuto è integrata con cristalli fotonici per ottenere un effetto ottico anomalo simile alla trasparenza indotta elettromagneticamente del sistema atomico, che fornisce un nuovo metodo per la regolazione spettrale della microstruttura. Questo studio svolge un ruolo importante nel promuovere la ricerca di materiali isolanti topologici nella regolazione della luce e nei dispositivi ottici funzionali.