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, detecção óptica e integração óptica. O tamanho do ressonador depende principalmente das características do material e do comprimento de onda operacional, por exemplo, ressonadores de silício operando na banda do infravermelho próximo geralmente requerem estruturas ópticas de centenas de nanômetros ou mais. Nos últimos anos, os ressonadores ópticos planares ultrafinos têm atraído muita atenção devido às suas aplicações potenciais em cores estruturais, imagens holográficas, regulação de campo de luz e dispositivos optoeletrônicos. Como reduzir a espessura dos ressonadores planares é um dos difíceis problemas enfrentados pelos pesquisadores.
Diferente dos materiais semicondutores tradicionais, os isoladores topológicos 3D (como telureto de bismuto, telureto de antimônio, seleneto de bismuto, etc.) são novos materiais de informação com estados de superfície metálica e estados de isolante topologicamente protegidos. O estado superficial é protegido pela simetria da inversão do tempo, e seus elétrons não são espalhados por impurezas não magnéticas, o que tem 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, grandes propriedades não linearesópticocoeficiente, ampla faixa de espectro de trabalho, sintonização, fácil integração, etc., 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 em grande área. A cavidade óptica apresenta características óbvias de absorção de ressonância na banda do infravermelho próximo. O telureto de bismuto tem um índice de refração muito alto de mais de 6 na banda de comunicação óptica (maior 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 da ressonância comprimento de onda. Ao mesmo tempo, o ressonador óptico é depositado em um cristal fotônico unidimensional, e um novo efeito de transparência induzido eletromagneticamente é observado na banda de comunicação óptica, que é devido ao acoplamento do ressonador com o plasmon Tamm e sua interferência destrutiva. . A resposta espectral deste 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 do espectro de materiais isolantes topológicos e dispositivos optoeletrônicos.
Como mostrado na FIG. 1a e 1b, o ressonador óptico é composto principalmente por um isolador topológico de telureto de bismuto e nanofilmes de prata. Os nanofilmes de telureto de bismuto preparados por pulverização catódica com magnetron possuem grande área e boa planicidade. Quando a espessura dos filmes de telureto de bismuto e de prata é de 42 nm e 30 nm, respectivamente, a cavidade óptica exibe forte absorção de ressonância na banda de 1100 ~ 1800 nm (Figura 1c). Quando os pesquisadores integraram esta cavidade óptica em um cristal fotônico feito de pilhas alternadas de camadas Ta2O5 (182 nm) e SiO2 (260 nm) (Figura 1e), um vale de absorção distinto (Figura 1f) apareceu perto do pico de absorção ressonante original (~ 1550 nm), que é semelhante ao efeito de transparência induzido eletromagneticamente produzido por sistemas atômicos.

O material telureto de bismuto foi caracterizado por microscopia eletrônica de transmissão e elipsometria. FIGO. 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). A Figura 2d-2f mostra o índice de refração complexo do telureto de bismuto medido pelo elipsômetro e o estado da superfície ajustado e o índice de refração complexo do estado. Os resultados mostram que o coeficiente de extinção do estado superficial é maior que o índice de refração na faixa de 230 ~ 1930 nm, apresentando características semelhantes às do metal. O índice de refração do corpo é superior a 6 quando o comprimento de onda é superior a 1385 nm, que é muito superior ao do silício, germânio e outros materiais tradicionais de alto índice de refração nesta banda, o que estabelece uma base para a preparação de ultra -ressonadores ópticos finos. Os pesquisadores destacam que esta é a primeira realização relatada de uma cavidade óptica planar isolante topológica com espessura de apenas dezenas de nanômetros na banda 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. Finalmente, o efeito da espessura do filme de prata nos espectros de transparência induzidos eletromagneticamente em nanocavidades de telureto de bismuto/estruturas cristalinas fotônicas é investigado

Ao preparar filmes finos planos de grande área de isoladores topológicos de telureto de bismuto e aproveitando o índice de refração ultra-alto dos materiais de telureto de bismuto na banda do infravermelho próximo, é obtida uma cavidade óptica planar com uma espessura de apenas dezenas de nanômetros. A cavidade óptica ultrafina pode realizar absorção eficiente de luz ressonante na banda do infravermelho próximo e tem importante valor de aplicação no desenvolvimento de dispositivos optoeletrônicos na banda de comunicação óptica. A espessura da cavidade óptica do telureto de bismuto é linear ao comprimento de onda ressonante e é menor do que a da cavidade óptica semelhante de silício e germânio. Ao mesmo tempo, a cavidade óptica do telureto de bismuto é integrada ao cristal fotônico para obter o efeito óptico anômalo semelhante à transparência induzida eletromagneticamente do sistema atômico, 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 ópticos funcionais.