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 Kommunikation, optische Sensorik und optische Integration. Die Größe des Resonators hängt hauptsächlich von den Materialeigenschaften und der Betriebswellenlänge ab. Beispielsweise erfordern Siliziumresonatoren im nahen Infrarotbereich üblicherweise optische Strukturen von mehreren hundert Nanometern und mehr. In den letzten Jahren haben ultradünne planare optische Resonatoren aufgrund ihrer potenziellen Anwendungen in den Bereichen Strukturfarbe, holografische Bildgebung, Lichtfeldregulierung und optoelektronische Bauelemente große Aufmerksamkeit erregt. Die Reduzierung der Dicke planarer Resonatoren ist eine der schwierigsten Herausforderungen für Forscher.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Halbleitermaterialien sind 3D-topologische Isolatoren (wie Wismuttellurid, Antimontellurid, Wismutselenid usw.) neue Informationsmaterialien mit topologisch geschützten Metalloberflächen- und Isolatorzuständen. Der Oberflächenzustand ist durch die Symmetrie der Zeitinversion geschützt, und seine Elektronen werden nicht durch nichtmagnetische Verunreinigungen gestreut, was wichtige Anwendungsaussichten in energiesparenden Quantencomputern und Spintronik-Bauelementen bietet. Gleichzeitig weisen topologische Isolatormaterialien auch hervorragende optische Eigenschaften auf, wie einen hohen Brechungsindex und große nichtlineareoptischKoeffizient, breites Arbeitsspektrum, Abstimmbarkeit, einfache Integration usw., was eine neue Plattform für die Realisierung der Lichtregulierung bietet undoptoelektronische Geräte.
Ein Forschungsteam in China hat ein Verfahren zur Herstellung ultradünner optischer Resonatoren vorgeschlagen, bei dem großflächig wachsende Nanofilme aus Wismuttellurid als topologischem Isolator verwendet werden. Der optische Resonator zeigt deutliche Resonanzabsorptionseigenschaften im nahen Infrarotbereich. Wismuttellurid hat einen sehr hohen Brechungsindex von über 6 im optischen Kommunikationsband (höher als der Brechungsindex herkömmlicher Materialien mit hohem Brechungsindex wie Silizium und Germanium), sodass die Dicke des optischen Resonators ein Zwanzigstel der Resonanzwellenlänge erreichen kann. Gleichzeitig wird der optische Resonator auf einem eindimensionalen photonischen Kristall abgeschieden. Im optischen Kommunikationsband wird ein neuartiger elektromagnetisch induzierter Transparenzeffekt beobachtet, der auf die Kopplung des Resonators mit dem Tamm-Plasmon und dessen destruktiver Interferenz zurückzuführen ist. Die spektrale Reaktion dieses Effekts hängt von der Dicke des optischen Resonators ab und ist robust gegenüber Änderungen des Umgebungsbrechungsindex. Diese Arbeit eröffnet einen neuen Weg für die Realisierung ultradünner optischer Hohlräume, die Spektrumregulierung topologischer Isolatormaterialien und optoelektronischer Geräte.
Wie in Abb. 1a und 1b dargestellt, besteht der optische Resonator hauptsächlich aus einem topologischen Isolator aus Wismuttellurid und Silber-Nanofilmen. Die durch Magnetronsputtern hergestellten Wismuttellurid-Nanofilme sind großflächig und gut eben. Bei Dicken der Wismuttellurid- und Silberfilme von 42 nm bzw. 30 nm weist der optische Resonator eine starke Resonanzabsorption im Band von 1100–1800 nm auf (Abb. 1c). Als die Forscher diesen optischen Resonator in einen photonischen Kristall aus abwechselnd übereinander geschichteten Ta2O5- (182 nm) und SiO2-Schichten (260 nm) integrierten (Abb. 1e), erschien nahe dem ursprünglichen Resonanzabsorptionsmaximum (~1550 nm) ein deutliches Absorptionstal (Abb. 1f), das dem elektromagnetisch induzierten Transparenzeffekt atomarer Systeme ähnelt.
Das Wismuttellurid-Material wurde mittels Transmissionselektronenmikroskopie und Ellipsometrie charakterisiert. Abb. 2a–2c zeigen hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopiebilder und ausgewählte Elektronenbeugungsmuster von Wismuttellurid-Nanofilmen. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die hergestellten Wismuttellurid-Nanofilme polykristalline Materialien sind und die Hauptwachstumsrichtung die (015)-Kristallebene ist. Abb. 2d–2f zeigen den mit einem Ellipsometer gemessenen komplexen Brechungsindex von Wismuttellurid 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 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 Band. Dies bildet die Grundlage für die Herstellung ultradünner optischer Resonatoren. Die Forscher weisen darauf hin, dass dies die erste gemeldete Realisierung eines topologischen Isolators mit planarer optischer Kavität und einer Dicke von nur einigen zehn Nanometern im optischen Kommunikationsband ist. Anschließend wurden das Absorptionsspektrum und die Resonanzwellenlänge der ultradünnen optischen Kavität mit der Dicke von Wismuttellurid gemessen. Abschließend wurde der Einfluss der Silberfilmdicke auf elektromagnetisch induzierte Transparenzspektren in Wismuttellurid-Nanokavitäten/photonischen Kristallstrukturen untersucht.
Durch die Herstellung großflächiger flacher Dünnfilme aus topologischen Isolatoren aus Wismuttellurid und die Ausnutzung des ultrahohen Brechungsindex von Wismuttellurid-Materialien im nahen Infrarotbereich wird ein planarer optischer Resonator mit einer Dicke von nur einigen zehn Nanometern erhalten. Der ultradünne optische Resonator ermöglicht eine effiziente resonante Lichtabsorption im nahen Infrarotbereich und ist von großem Anwendungswert bei der Entwicklung optoelektronischer Geräte im optischen Kommunikationsbereich. Die Dicke des optischen Resonators aus Wismuttellurid verhält sich linear zur Resonanzwellenlänge und ist geringer als die Dicke ähnlicher optischer Resonatoren aus Silizium und Germanium. Gleichzeitig wird der optische Resonator aus Wismuttellurid mit einem photonischen Kristall integriert, um einen anomalen optischen Effekt ähnlich der elektromagnetisch induzierten Transparenz eines atomaren Systems zu erzielen, wodurch eine neue Methode zur Spektrumregulierung von Mikrostrukturen bereitgestellt wird. Diese Studie trägt maßgeblich zur Förderung der Forschung zu topologischen Isolatormaterialien in der Lichtregulierung und in optischen Funktionsgeräten bei.
Veröffentlichungszeit: 30. September 2024