Banda di comunicazione ottica, risonatore ottico ultrasottile
I risonatori ottici possono localizzare specifiche lunghezze d'onda 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 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 più difficili affrontati dai ricercatori.
A differenza dei materiali semiconduttori tradizionali, 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 ha importanti prospettive di applicazione nel calcolo quantistico 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 e una grande non linearitàotticocoefficiente, 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 cinese ha proposto un metodo per la fabbricazione di risonatori ottici ultrasottili utilizzando nanofilm di isolante topologico di tellururo di bismuto (BTS) a crescita su ampia area. La cavità ottica mostra evidenti caratteristiche di assorbimento di 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 il silicio e il germanio), in modo che lo spessore della cavità ottica possa raggiungere un ventesimo della lunghezza d'onda di risonanza. Allo stesso tempo, il risonatore ottico è depositato su un cristallo fotonico unidimensionale e si osserva un nuovo effetto di trasparenza indotta 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 alle variazioni dell'indice di rifrazione ambientale. Questo lavoro apre una nuova strada per la realizzazione di cavità ottiche ultrasottili, la regolazione dello spettro di materiali isolanti topologici e dispositivi optoelettronici.
Come mostrato nelle figure 1a e 1b, il risonatore ottico è composto principalmente da un isolante topologico di tellururo di bismuto e da nanofilm d'argento. I nanofilm di tellururo di bismuto, preparati mediante sputtering magnetron, 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 di 1100~1800 nm (Figura 1c). Quando i ricercatori hanno integrato questa cavità ottica su un cristallo fotonico costituito da strati alternati di Ta2O5 (182 nm) e SiO2 (260 nm) (Figura 1e), è apparsa una distinta valle di assorbimento (Figura 1f) vicino al picco di assorbimento di risonanza originale (~1550 nm), simile all'effetto di trasparenza indotta 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 le micrografie elettroniche a trasmissione (immagini ad alta risoluzione) e i modelli di diffrazione elettronica selezionati di nanofilm di tellururo di bismuto. Come si può osservare dalla figura, i nanofilm di tellururo di bismuto preparati sono materiali policristallini e il principale orientamento di crescita è il piano cristallino (015). Le figure 2d-2f mostrano l'indice di rifrazione complesso del tellururo di bismuto misurato con l'ellissometro e l'indice di rifrazione complesso dello stato superficiale e dello stato interpolato. 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 di un metallo. L'indice di rifrazione del materiale 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 si tratta della prima realizzazione documentata di una cavità ottica planare in isolante topologico con uno spessore di poche decine di nanometri nella banda delle comunicazioni ottiche. Successivamente, sono stati misurati lo spettro di assorbimento e la lunghezza d'onda di risonanza della cavità ottica ultrasottile in funzione dello spessore del tellururo di bismuto. Infine, è stato studiato l'effetto dello spessore del film d'argento sugli spettri di trasparenza indotta elettromagneticamente nelle strutture nanocavità/cristallo fotonico in tellururo di bismuto.
Preparando film sottili e piatti di grandi dimensioni di isolanti topologici di tellururo di bismuto e sfruttando l'altissimo indice di rifrazione di questi materiali nella banda del vicino infrarosso, si ottiene una cavità ottica planare con uno spessore di poche decine di nanometri. Questa cavità ottica ultrasottile è in grado di realizzare un efficiente assorbimento risonante della luce nella banda del vicino infrarosso e riveste un'importante valenza applicativa nello sviluppo di dispositivi optoelettronici nella banda delle comunicazioni ottiche. Lo spessore della cavità ottica in tellururo di bismuto è linearmente proporzionale alla lunghezza d'onda di risonanza ed è inferiore a quello di cavità ottiche simili in silicio e germanio. Allo stesso tempo, l'integrazione della cavità ottica in tellururo di bismuto con un cristallo fotonico consente di ottenere un effetto ottico anomalo simile alla trasparenza indotta elettromagneticamente nei sistemi atomici, offrendo un nuovo metodo per la regolazione spettrale delle microstrutture. Questo studio riveste un ruolo significativo nel promuovere la ricerca sui materiali isolanti topologici nella regolazione della luce e nei dispositivi ottici funzionali.
Data di pubblicazione: 30 settembre 2024