Optisches Kommunikationsband, ultradünner optischer Resonator
Optische Resonatoren können bestimmte Wellenlängen von Lichtwellen in einem begrenzten Raum lokalisieren und haben wichtige Anwendungen bei der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie.optische Kommunikation, optische Sensorik und optische Integration. Die Größe des Resonators hängt hauptsächlich von den Materialeigenschaften und der Betriebswellenlänge ab. Beispielsweise erfordern Siliziumresonatoren, die im nahen Infrarotbereich arbeiten, normalerweise optische Strukturen von Hunderten von Nanometern und mehr. In den letzten Jahren haben ultradünne planare optische Resonatoren aufgrund ihrer potenziellen Anwendungen in den Bereichen Strukturfarbe, holographische Bildgebung, Lichtfeldregulierung und optoelektronische Geräte große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die Reduzierung der Dicke planarer Resonatoren ist eines der schwierigen Probleme der Forscher.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Halbleitermaterialien sind topologische 3D-Isolatoren (wie Wismuttellurid, Antimontellurid, Wismutselenid usw.) neue Informationsmaterialien mit topologisch geschützten Metalloberflächenzuständen und Isolatorzuständen. Der Oberflächenzustand wird durch die Symmetrie der Zeitinversion geschützt und seine Elektronen werden nicht durch nichtmagnetische Verunreinigungen gestreut, was wichtige Anwendungsaussichten in Quantencomputern und spintronischen Geräten mit geringem Stromverbrauch bietet. Gleichzeitig weisen topologische Isolatormaterialien auch hervorragende optische Eigenschaften auf, wie z. B. einen hohen Brechungsindex und große NichtlinearitätenoptischKoeffizient, breiter Arbeitsspektrumbereich, Abstimmbarkeit, einfache Integration usw., was eine neue Plattform für die Realisierung der Lichtregulierung bietet undoptoelektronische Geräte.
Ein Forschungsteam in China hat eine Methode zur Herstellung ultradünner optischer Resonatoren vorgeschlagen, bei der großflächig wachsende topologische Wismuttellurid-Isolator-Nanofilme zum Einsatz kommen. Der optische Hohlraum zeigt offensichtliche Resonanzabsorptionseigenschaften im nahen Infrarotband. Wismuttellurid hat im optischen Kommunikationsband einen sehr hohen Brechungsindex von mehr als 6 (höher als der Brechungsindex herkömmlicher Materialien mit hohem Brechungsindex wie Silizium und Germanium), sodass die Dicke des optischen Hohlraums ein Zwanzigstel der Resonanz erreichen kann Wellenlänge. Gleichzeitig wird der optische Resonator auf einem eindimensionalen photonischen Kristall abgeschieden und ein neuartiger elektromagnetisch induzierter Transparenzeffekt im optischen Kommunikationsband beobachtet, der auf die Kopplung des Resonators mit dem Tamm-Plasmon und dessen destruktive Interferenz zurückzuführen ist . Die spektrale Reaktion dieses Effekts hängt von der Dicke des optischen Resonators ab und ist robust gegenüber der Änderung des Umgebungsbrechungsindex. Diese Arbeit eröffnet einen neuen Weg für die Realisierung ultradünner optischer Hohlräume, der Regulierung des Spektrums topologischer Isolatormaterialien und optoelektronischer Geräte.
Wie in FIG. In den Abbildungen 1a und 1b besteht der optische Resonator hauptsächlich aus einem topologischen Wismuttellurid-Isolator und Silbernanofilmen. Die durch Magnetronsputtern hergestellten Wismuttellurid-Nanofilme weisen eine große Fläche und eine gute Ebenheit auf. Wenn die Dicke der Wismuttellurid- und Silberfilme 42 nm bzw. 30 nm beträgt, zeigt der optische Hohlraum eine starke Resonanzabsorption im Band von 1100–1800 nm (Abbildung 1c). Als die Forscher diesen optischen Hohlraum in einen photonischen Kristall integrierten, der aus abwechselnden Stapeln von Schichten aus Ta2O5 (182 nm) und SiO2 (260 nm) bestand (Abbildung 1e), erschien ein deutliches Absorptionstal (Abbildung 1f) in der Nähe des ursprünglichen resonanten Absorptionspeaks (~ 1550 nm), was dem elektromagnetisch induzierten Transparenzeffekt atomarer Systeme ähnelt.
Das Wismuttellurid-Material wurde durch Transmissionselektronenmikroskopie und Ellipsometrie charakterisiert. FEIGE. 2a-2c zeigt Transmissionselektronenmikroskopaufnahmen (hochauflösende Bilder) und ausgewählte Elektronenbeugungsmuster von Wismuttellurid-Nanofilmen. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass es sich bei den hergestellten Wismuttellurid-Nanofilmen um polykristalline Materialien handelt und die Hauptwachstumsorientierung die (015)-Kristallebene ist. Abbildung 2d-2f zeigt den komplexen Brechungsindex von Wismuttellurid, gemessen mit einem Ellipsometer, sowie den angepassten Oberflächenzustand und den komplexen Brechungsindex des Zustands. Die Ergebnisse zeigen, dass der Extinktionskoeffizient des Oberflächenzustands im Bereich von 230–1930 nm größer ist als der Brechungsindex, was metallähnliche Eigenschaften zeigt. Der Brechungsindex des Körpers beträgt mehr als 6, wenn die Wellenlänge größer als 1385 nm ist, was viel höher ist als der von Silizium, Germanium und anderen herkömmlichen Materialien mit hohem Brechungsindex in diesem Band, was eine Grundlage für die Herstellung von Ultra bildet -dünne optische Resonatoren. Die Forscher weisen darauf hin, dass dies die erste gemeldete Realisierung eines planaren optischen Hohlraums mit topologischem Isolator und einer Dicke von nur mehreren zehn Nanometern im optischen Kommunikationsband ist. Anschließend wurden das Absorptionsspektrum und die Resonanzwellenlänge des ultradünnen optischen Hohlraums mit der Dicke von Wismuttellurid gemessen. Abschließend wird der Einfluss der Silberfilmdicke auf elektromagnetisch induzierte Transparenzspektren in Wismuttellurid-Nanokavitäts-/photonischen Kristallstrukturen untersucht
Durch die Herstellung großflächiger flacher dünner Filme aus topologischen Bismuttellurid-Isolatoren und die Nutzung des ultrahohen Brechungsindex von Bismuttellurid-Materialien im nahen Infrarotbereich wird ein planarer optischer Hohlraum mit einer Dicke von nur mehreren zehn Nanometern erhalten. Der ultradünne optische Hohlraum kann eine effiziente resonante Lichtabsorption im nahen Infrarotband realisieren und hat einen wichtigen Anwendungswert bei der Entwicklung optoelektronischer Geräte im optischen Kommunikationsband. Die Dicke des optischen Hohlraums aus Wismuttellurid verläuft linear zur Resonanzwellenlänge und ist kleiner als die eines ähnlichen optischen Hohlraums aus Silizium und Germanium. Gleichzeitig wird der optische Hohlraum aus Wismuttellurid in einen photonischen Kristall integriert, um einen anomalen optischen Effekt zu erzielen, der der elektromagnetisch induzierten Transparenz eines Atomsystems ähnelt, was eine neue Methode zur Spektrumregulierung der Mikrostruktur bietet. Diese Studie spielt eine gewisse Rolle bei der Förderung der Erforschung topologischer Isolatormaterialien für die Lichtregulierung und optische Funktionsgeräte.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 30. September 2024