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. La dimensione del risonatore dipende 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 grazie alle loro potenziali applicazioni nel colore strutturale, nell'imaging olografico, nella regolazione del campo luminoso e nei dispositivi optoelettronici. Come ridurre lo spessore dei risonatori planari è uno dei problemi difficili affrontati dai ricercatori.
Diversamente dai materiali semiconduttori tradizionali, gli isolanti topologici 3D (come tellururo di bismuto, tellururo di antimonio, seleniuro di bismuto, ecc.) sono nuovi materiali informativi con stati superficiali metallici topologicamente protetti e stati isolanti. Lo stato superficiale è protetto dalla simmetria dell’inversione temporale e i suoi elettroni non sono dispersi da impurità non magnetiche, il che ha importanti prospettive di applicazione nell’informatica quantistica a bassa potenza e nei dispositivi spintronici. Allo stesso tempo, i materiali isolanti topologici mostrano anche eccellenti proprietà ottiche, come un elevato indice di rifrazione, grandi dimensioni non lineariotticocoefficiente, ampio intervallo di spettro di lavoro, sintonizzabilità, facile integrazione, ecc., che fornisce una nuova piattaforma per la realizzazione della regolazione della luce edispositivi optoelettronici.
Un gruppo di ricerca in Cina ha proposto un metodo per la fabbricazione di risonatori ottici ultrasottili utilizzando nanofilm isolanti topologici di tellururo di bismuto su vasta area. La cavità ottica mostra evidenti caratteristiche di assorbimento della risonanza nella banda del vicino infrarosso. Il tellururo di bismuto ha un indice di rifrazione molto elevato, superiore a 6 nella banda di comunicazione ottica (superiore all'indice di rifrazione dei tradizionali materiali ad alto indice di rifrazione come silicio e germanio), in modo che lo spessore della cavità ottica possa raggiungere un ventesimo della risonanza lunghezza d'onda. Allo stesso tempo, il risonatore ottico viene depositato su un cristallo fotonico unidimensionale e nella banda di comunicazione ottica si osserva un nuovo effetto di trasparenza indotto elettromagneticamente, dovuto all'accoppiamento del risonatore con il plasmone Tamm e alla sua interferenza distruttiva . La risposta spettrale di questo effetto dipende dallo spessore del risonatore ottico ed è resistente al cambiamento dell'indice di rifrazione ambientale. Questo lavoro apre una nuova strada per la realizzazione di cavità ottiche ultrasottili, regolazione dello spettro dei materiali isolanti topologici e dispositivi optoelettronici.
Come mostrato nella FIG. 1a e 1b, il risonatore ottico è composto principalmente da un isolante topologico al tellururo di bismuto e nanofilm d'argento. I nanofilm di tellururo di bismuto preparati mediante sputtering con magnetron hanno un'ampia area e una buona planarità. Quando lo spessore del tellururo di bismuto e delle pellicole d'argento è rispettivamente di 42 nm e 30 nm, la cavità ottica mostra un forte assorbimento di risonanza nella banda di 1100 ~ 1800 nm (Figura 1c). Quando i ricercatori hanno integrato questa cavità ottica su un cristallo fotonico costituito da pile alternate di strati di Ta2O5 (182 nm) e SiO2 (260 nm) (Figura 1e), una distinta valle di assorbimento (Figura 1f) è apparsa vicino al picco di assorbimento risonante originale (~ 1550 nm), che è simile all'effetto di trasparenza indotto elettromagneticamente prodotto dai sistemi atomici.

Il materiale al tellururo di bismuto è stato caratterizzato mediante microscopia elettronica a trasmissione ed ellissometria. FICO. 2a-2c mostra micrografie elettroniche a trasmissione (immagini ad alta risoluzione) e modelli di diffrazione elettronica selezionati di nanofilm di tellururo di bismuto. Dalla figura si può vedere che i nanofilm di tellururo di bismuto preparati sono materiali policristallini e l'orientamento di crescita principale è il piano cristallino (015). La Figura 2d-2f mostra l'indice di rifrazione complesso del tellururo di bismuto misurato dall'ellissometro e lo stato della superficie adattata e l'indice di rifrazione del complesso stato. 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 al metallo. L'indice di rifrazione del corpo è superiore a 6 quando la lunghezza d'onda è maggiore di 1385 nm, che è molto superiore a quella del silicio, del germanio e di altri materiali tradizionali ad alto indice di rifrazione in questa banda, che pone le basi per la preparazione di ultra -risonatori ottici sottili. I ricercatori sottolineano che questa è la prima realizzazione segnalata di una cavità ottica planare di isolante topologico con uno spessore di sole decine di nanometri nella banda di comunicazione ottica. Successivamente, sono stati misurati lo spettro di assorbimento e la lunghezza d'onda di risonanza della cavità ottica ultrasottile 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 di nanocavità/cristalli fotonici di tellururo di bismuto

Preparando film sottili piatti di grande area di isolanti topologici al tellururo di bismuto e sfruttando l'altissimo indice di rifrazione dei materiali al tellururo di bismuto nella banda del vicino infrarosso, si ottiene una cavità ottica planare con uno spessore di sole 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 di comunicazione ottica. Lo spessore della cavità ottica del tellururo di bismuto è lineare rispetto alla lunghezza d'onda risonante ed è inferiore a quello della cavità ottica simile al silicio e al germanio. Allo stesso tempo, la cavità ottica del tellururo di bismuto è integrata con il cristallo fotonico per ottenere l'effetto ottico anomalo simile alla trasparenza indotta elettromagneticamente del sistema atomico, che fornisce un nuovo metodo per la regolazione dello spettro della microstruttura. Questo studio svolge un certo ruolo nel promuovere la ricerca di materiali isolanti topologici nella regolazione della luce e dispositivi funzionali ottici.