Optisches Kommunikationsband, ultradünner optischer Resonator

Optisches Kommunikationsband, ultradünner optischer Resonator
Optische Resonatoren können bestimmte Wellenlängen von Lichtwellen in einem begrenzten Raum lokalisieren und haben wichtige Anwendungen in der Licht-Materie-Wechselwirkung.optische KommunikationOptische Sensorik und optische Integration sind Anwendungsgebiete. Die Größe des Resonators hängt hauptsächlich von den Materialeigenschaften und der Betriebswellenlänge ab. So benötigen beispielsweise Siliziumresonatoren, die im nahen Infrarotbereich arbeiten, üblicherweise optische Strukturen mit einer Dicke von mehreren hundert Nanometern und mehr. In den letzten Jahren haben ultradünne planare optische Resonatoren aufgrund ihrer potenziellen Anwendungen in der Strukturfarbenentwicklung, der holografischen Bildgebung, der Lichtfeldsteuerung und optoelektronischen Bauelementen viel Aufmerksamkeit erregt. Die Reduzierung der Dicke planarer Resonatoren stellt eine der größten Herausforderungen für die Forschung dar.
Anders als herkömmliche Halbleitermaterialien stellen dreidimensionale topologische Isolatoren (wie Bismuttellurid, Antimontellurid, Bismutselenid usw.) neuartige Informationsmaterialien mit topologisch geschützten metallischen Oberflächenzuständen und Isolatorzuständen dar. Der Oberflächenzustand ist durch die Zeitinversionssymmetrie geschützt, und seine Elektronen werden nicht durch nichtmagnetische Verunreinigungen gestreut. Dies eröffnet vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten in energieeffizienten Quantencomputern und Spintronik-Bauelementen. Gleichzeitig weisen topologische Isolatoren auch hervorragende optische Eigenschaften auf, wie beispielsweise einen hohen Brechungsindex und eine große nichtlineare Dielektrizitätskonstante.optischKoeffizient, breiter Arbeitsspektrumbereich, Abstimmbarkeit, einfache Integration usw., was eine neue Plattform für die Realisierung der Lichtregelung bietet undoptoelektronische Bauelemente.
Ein Forschungsteam in China hat ein Verfahren zur Herstellung ultradünner optischer Resonatoren entwickelt. Dieses basiert auf großflächig gewachsenen Nanofilmen aus topologischem Bismuttellurid. Der optische Resonator zeigt deutliche Resonanzabsorptionseigenschaften im nahen Infrarotbereich. Bismuttellurid besitzt im optischen Kommunikationsband einen sehr hohen Brechungsindex von über 6 (höher als der Brechungsindex herkömmlicher Materialien mit hohem Brechungsindex wie Silizium und Germanium). Dadurch kann die Dicke des optischen Resonators auf ein Zwanzigstel der Resonanzwellenlänge reduziert werden. Gleichzeitig wird der optische Resonator auf einem eindimensionalen photonischen Kristall abgeschieden. Dabei wird im optischen Kommunikationsband ein neuartiger, elektromagnetisch induzierter Transparenzeffekt beobachtet, der auf der Kopplung des Resonators mit dem Tamm-Plasmon und dessen destruktiver Interferenz beruht. Die spektrale Antwort dieses Effekts hängt von der Dicke des optischen Resonators ab und ist robust gegenüber Änderungen des Brechungsindex der Umgebung. Diese Arbeit eröffnet einen neuen Weg zur Realisierung ultradünner optischer Resonatoren, topologischer Isolatormaterialien, zur Spektrumregulierung und optoelektronischer Bauelemente.
Wie in Abb. 1a und 1b dargestellt, besteht der optische Resonator hauptsächlich aus einem topologischen Isolator aus Bismuttellurid und Silber-Nanofilmen. Die mittels Magnetron-Sputtern hergestellten Bismuttellurid-Nanofilme weisen eine große Fläche und gute Ebenheit auf. Bei einer Dicke der Bismuttellurid- und Silberfilme von 42 nm bzw. 30 nm zeigt der optische Resonator eine starke Resonanzabsorption im Bereich von 1100–1800 nm (Abb. 1c). Durch die Integration dieses optischen Resonators in einen photonischen Kristall aus alternierenden Schichten von Ta₂O₅ (182 nm) und SiO₂ (260 nm) (Abb. 1e) entstand nahe dem ursprünglichen Resonanzabsorptionsmaximum (~1550 nm) ein deutliches Absorptionsminimum (Abb. 1f), ähnlich dem Effekt der elektromagnetisch induzierten Transparenz in atomaren Systemen.

Das Bismuttellurid-Material wurde mittels Transmissionselektronenmikroskopie und Ellipsometrie charakterisiert. Abb. 2a–2c zeigen Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahmen (hochauflösende Bilder) und ausgewählte Elektronenbeugungsmuster von Bismuttellurid-Nanofilmen. Die Abbildung zeigt, dass es sich bei den hergestellten Bismuttellurid-Nanofilmen um polykristalline Materialien handelt, deren Hauptwachstumsrichtung die (015)-Kristallebene ist. Abb. 2d–2f zeigen den mittels Ellipsometrie gemessenen komplexen Brechungsindex von Bismuttellurid sowie den angepassten komplexen Brechungsindex des Oberflächenzustands. Die Ergebnisse zeigen, dass der Extinktionskoeffizient des Oberflächenzustands im Bereich von 230–1930 nm größer als der Brechungsindex ist, was auf metallähnliche Eigenschaften hindeutet. Der Brechungsindex des Körpers liegt bei Wellenlängen über 1385 nm über 6 und ist damit deutlich höher als der von Silizium, Germanium und anderen herkömmlichen Materialien mit hohem Brechungsindex in diesem Spektralbereich. Dies bildet die Grundlage für die Herstellung ultradünner optischer Resonatoren. Die Forscher weisen darauf hin, dass dies die erste Realisierung eines planaren optischen Resonators aus einem topologischen Isolator mit einer Dicke von nur wenigen zehn Nanometern im optischen Kommunikationsbereich ist. Anschließend wurden das Absorptionsspektrum und die Resonanzwellenlänge des ultradünnen optischen Resonators in Abhängigkeit von der Dicke des Bismuttellurids gemessen. Abschließend wurde der Einfluss der Silberfilmdicke auf die elektromagnetisch induzierten Transparenzspektren in Bismuttellurid-Nanoresonator-/Photonenkristallstrukturen untersucht.

Durch die Herstellung großflächiger, flacher Dünnschichten aus topologischen Bismuttellurid-Isolatoren und die Nutzung des extrem hohen Brechungsindex von Bismuttellurid im nahen Infrarotbereich konnte ein planarer optischer Resonator mit einer Dicke von nur wenigen zehn Nanometern realisiert werden. Dieser ultradünne optische Resonator ermöglicht eine effiziente resonante Lichtabsorption im nahen Infrarotbereich und ist daher von großem Nutzen für die Entwicklung optoelektronischer Bauelemente im optischen Kommunikationsbereich. Die Dicke des Bismuttellurid-Resonators verhält sich linear zur Resonanzwellenlänge und ist geringer als die vergleichbarer optischer Resonatoren aus Silizium und Germanium. Gleichzeitig wurde der Bismuttellurid-Resonator mit einem photonischen Kristall integriert, um einen anomalen optischen Effekt zu erzielen, der der elektromagnetisch induzierten Transparenz atomarer Systeme ähnelt. Dies eröffnet eine neue Methode zur spektralen Steuerung von Mikrostrukturen. Die vorliegende Studie leistet einen wichtigen Beitrag zur Förderung der Forschung an topologischen Isolatormaterialien für die Lichtsteuerung und optische Funktionsbauelemente.