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 cor estrutural, imagem holográfica, regulação de campo de luz e dispositivos optoeletrônicos. Como reduzir a espessura dos ressonadores planares é um dos problemas difíceis enfrentados pelos pesquisadores.
Diferentemente dos materiais semicondutores tradicionais, os isolantes topológicos 3D (como o telureto de bismuto, o telureto de antimônio, o seleneto de bismuto, etc.) são novos materiais de informação com estados de superfície metálicos e estados isolantes protegidos topologicamente. O estado de superfície é protegido pela simetria de inversão temporal, e seus elétrons não são dispersos por impurezas não magnéticas, o que apresenta importantes perspectivas de aplicação em computação quântica de baixo consumo de energia e dispositivos espintrônicos. Ao mesmo tempo, os materiais isolantes topológicos também exibem excelentes propriedades ópticas, como alto índice de refração e grande não linearidade.ópticocoeficiente, ampla faixa de espectro de trabalho, sintonizabilidade, fácil integração, etc., o que proporciona uma nova plataforma para a realização da regulação da luz edispositivos optoeletrônicos.
Uma equipe de pesquisa na China propôs um método para a fabricação de ressonadores ópticos ultrafinos utilizando nanofilmes de telureto de bismuto (um isolante topológico) cultivados em larga escala. A cavidade óptica apresenta características de absorção ressonante evidentes 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 que o índice de refração de materiais tradicionais de alto índice de refração, como silício e germânio), permitindo que a espessura da cavidade óptica atinja um vigésimo do comprimento de onda de ressonância. Ao mesmo tempo, o ressonador óptico é depositado sobre um cristal fotônico unidimensional, e um novo efeito de transparência eletromagneticamente induzida 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 variação do índice de refração do meio. 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 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 magnetrônica, 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 ressonante na faixa de 1100 a 1800 nm (Figura 1c). Quando os pesquisadores integraram essa cavidade óptica em um cristal fotônico feito de camadas alternadas de Ta₂O₅ (182 nm) e SiO₂ (260 nm) (Figura 1e), um vale de absorção distinto (Figura 1f) apareceu próximo ao pico de absorção ressonante original (~1550 nm), o que é semelhante ao efeito de transparência induzida 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 elipsometria e o ajuste do estado de superfície e do 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 material é superior a 6 quando o comprimento de onda é maior que 1385 nm, valor muito superior ao do silício, germânio e outros materiais tradicionais de alto índice de refração nessa faixa, o que estabelece as bases para a preparação de ressonadores ópticos ultrafinos. Os pesquisadores destacam que esta é a primeira realização relatada de uma cavidade óptica planar de isolante topológico com uma 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 em função da espessura do telureto de bismuto. Finalmente, o efeito da espessura da película de prata nos espectros de transparência eletromagneticamente induzida em estruturas de nanocavidade/cristal fotônico de telureto de bismuto foi investigado.

Ao preparar filmes finos e planos de grande área de isolantes topológicos de telureto de bismuto e aproveitar o índice de refração ultra-alto desses materiais na faixa do infravermelho próximo, obtém-se uma cavidade óptica plana com espessura de apenas dezenas de nanômetros. Essa cavidade óptica ultrafina permite a absorção ressonante eficiente de luz na faixa do infravermelho próximo e possui 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 de ressonância e é menor do que a de cavidades ópticas similares de silício e germânio. Além disso, a cavidade óptica de telureto de bismuto é integrada a um cristal fotônico para alcançar o efeito óptico anômalo semelhante à transparência eletromagneticamente induzida de sistemas atômicos, o que fornece um novo método para a regulação espectral de microestruturas. Este estudo desempenha um papel importante no avanço da pesquisa de materiais isolantes topológicos para regulação de luz e dispositivos ópticos funcionais.