Banda de comunicação óptica, ressonador óptico ultrafino

Banda de comunicação óptica, ressonador óptico ultrafino
Os ressonadores ópticos podem localizar comprimentos de onda específicos de ondas de luz em um espaço limitado e têm aplicações importantes na interação luz-matéria,comunicação óptica, sensoriamento óptico e integração óptica. O tamanho do ressonador depende principalmente das características do material e do comprimento de onda de operação. Por exemplo, ressonadores de silício que operam na faixa do infravermelho próximo geralmente requerem estruturas ópticas de centenas de nanômetros ou mais. Nos últimos anos, ressonadores ópticos planares ultrafinos têm atraído muita atenção devido às suas potenciais aplicações em cores estruturais, imagens holográficas, regulação de campo de luz e dispositivos optoeletrônicos. Como reduzir a espessura de ressonadores planares é um dos problemas complexos enfrentados pelos pesquisadores.
Diferentemente dos materiais semicondutores tradicionais, isolantes topológicos tridimensionais (como telureto de bismuto, telureto de antimônio, seleneto de bismuto, etc.) são novos materiais de informação com estados de superfície metálicos e estados isolantes topologicamente protegidos. O estado da superfície é protegido pela simetria da inversão temporal, e seus elétrons não são espalhados por impurezas não magnéticas, o que apresenta importantes perspectivas de aplicação em computação quântica de baixa potência e dispositivos spintrônicos. Ao mesmo tempo, os materiais isolantes topológicos também apresentam excelentes propriedades ópticas, como alto índice de refração e grande amplitude não linear.ópticocoeficiente, ampla faixa de espectro de trabalho, capacidade de ajuste, fácil integração, etc., o que fornece uma nova plataforma para a realização de regulação de luz edispositivos optoeletrônicos.
Uma equipe de pesquisa na China propôs um método para a fabricação de ressonadores ópticos ultrafinos usando nanofilmes isolantes topológicos de telureto de bismuto de grande área de crescimento. A cavidade óptica apresenta características óbvias de absorção de ressonância na faixa do infravermelho próximo. O telureto de bismuto possui um índice de refração muito alto, superior a 6, na faixa de comunicação óptica (maior do que o índice de refração de materiais tradicionais de alto índice de refração, como silício e germânio), de modo que a espessura da cavidade óptica pode atingir um vigésimo do comprimento de onda da ressonância. Ao mesmo tempo, o ressonador óptico é depositado em um cristal fotônico unidimensional, e um novo efeito de transparência induzido eletromagneticamente é observado na faixa de comunicação óptica, devido ao acoplamento do ressonador com o plasmon de Tamm e sua interferência destrutiva. A resposta espectral desse efeito depende da espessura do ressonador óptico e é robusta à mudança do índice de refração ambiente. Este trabalho abre um novo caminho para a realização de cavidades ópticas ultrafinas, regulação de espectro de materiais isolantes topológicos e dispositivos optoeletrônicos.
Conforme mostrado nas Figuras 1a e 1b, o ressonador óptico é composto principalmente por um isolante topológico de telureto de bismuto e nanofilmes de prata. Os nanofilmes de telureto de bismuto preparados por pulverização catódica por magnetron apresentam grande área e boa planicidade. Quando a espessura dos filmes de telureto de bismuto e prata é de 42 nm e 30 nm, respectivamente, a cavidade óptica exibe forte absorção de ressonância na faixa de 1100 a 1800 nm (Figura 1c). Quando os pesquisadores integraram essa cavidade óptica a um cristal fotônico composto por pilhas alternadas de camadas de Ta2O5 (182 nm) e SiO2 (260 nm) (Figura 1e), um vale de absorção distinto (Figura 1f) surgiu próximo ao pico de absorção ressonante original (~1550 nm), semelhante ao efeito de transparência induzido eletromagneticamente produzido por sistemas atômicos.

O material de telureto de bismuto foi caracterizado por microscopia eletrônica de transmissão e elipsometria. As Figuras 2a-2c mostram micrografias eletrônicas de transmissão (imagens de alta resolução) e padrões de difração de elétrons selecionados de nanofilmes de telureto de bismuto. Pode-se observar na figura que os nanofilmes de telureto de bismuto preparados são materiais policristalinos e a principal orientação de crescimento é o plano cristalino (015). As Figuras 2d-2f mostram o índice de refração complexo do telureto de bismuto medido por elipsômetro, o estado de superfície ajustado e o índice de refração complexo do estado. Os resultados mostram que o coeficiente de extinção do estado de superfície é maior que o índice de refração na faixa de 230 a 1930 nm, apresentando características semelhantes às de um metal. O índice de refração do corpo é superior a 6 quando o comprimento de onda é superior a 1385 nm, o que é muito superior ao do silício, germânio e outros materiais tradicionais de alto índice de refração nessa faixa, o que estabelece uma base para a preparação de ressonadores ópticos ultrafinos. Os pesquisadores destacam que este é o primeiro relato de uma cavidade óptica plana isolante topológica com espessura de apenas dezenas de nanômetros na faixa de comunicação óptica. Posteriormente, o espectro de absorção e o comprimento de onda de ressonância da cavidade óptica ultrafina foram medidos com a espessura do telureto de bismuto. Por fim, o efeito da espessura do filme de prata nos espectros de transparência induzidos eletromagneticamente em nanocavidades de telureto de bismuto/estruturas de cristal fotônico é investigado.

Ao preparar filmes finos planos de grande área de isolantes topológicos de telureto de bismuto e aproveitar o índice de refração ultra-alto dos materiais de telureto de bismuto na faixa do infravermelho próximo, obtém-se uma cavidade óptica plana com espessura de apenas dezenas de nanômetros. A cavidade óptica ultrafina pode realizar absorção de luz ressonante eficiente na faixa do infravermelho próximo e tem importante valor de aplicação no desenvolvimento de dispositivos optoeletrônicos na faixa de comunicação óptica. A espessura da cavidade óptica de telureto de bismuto é linear ao comprimento de onda ressonante e é menor do que a de cavidades ópticas semelhantes de silício e germânio. Ao mesmo tempo, a cavidade óptica de telureto de bismuto é integrada ao cristal fotônico para alcançar o efeito óptico anômalo semelhante à transparência induzida eletromagneticamente do sistema atômico, o que fornece um novo método para a regulação do espectro da microestrutura. Este estudo desempenha um certo papel na promoção da pesquisa de materiais isolantes topológicos em regulação de luz e dispositivos funcionais ópticos.