Optinen tiedonsiirtokaista, erittäin ohut optinen resonaattori

Optinen tiedonsiirtokaista, erittäin ohut optinen resonaattori
Optiset resonaattorit voivat lokalisoida tiettyjä valoaaltojen aallonpituuksia rajoitetussa tilassa, ja niillä on tärkeitä sovelluksia valon ja aineen vuorovaikutuksessa,optinen viestintä, optinen tunnistus ja optinen integrointi. Resonaattorin koko riippuu pääasiassa materiaalin ominaisuuksista ja toiminta-aallonpituudesta, esimerkiksi lähi-infrapuna-alueella toimivat piiresonaattorit vaativat yleensä satojen nanometrien tai sitä suurempien optisten rakenteiden. Viime vuosina erittäin ohuet tasomaiset optiset resonaattorit ovat herättäneet paljon huomiota niiden mahdollisten sovellusten vuoksi rakenneväreissä, holografisessa kuvantamisessa, valokentän säätelyssä ja optoelektronisissa laitteissa. Tasomaisten resonaattorien paksuuden vähentäminen on yksi tutkijoiden kohtaamista vaikeista ongelmista.
Perinteisistä puolijohdemateriaaleista poiketen 3D-topologiset eristeet (kuten vismuttitelluridi, antimonitelluridi, vismuttiselenidi jne.) ovat uusia informaatiomateriaaleja, joilla on topologisesti suojatut metallipintatilat ja eristetilat. Pintatila on suojattu aikainversion symmetrialla, eivätkä sen elektronit siroa ei-magneettisten epäpuhtauksien vaikutuksesta, millä on tärkeitä sovellusmahdollisuuksia pienitehoisissa kvanttilaskennoissa ja spintronisissa laitteissa. Samalla topologisilla eristemateriaaleilla on myös erinomaiset optiset ominaisuudet, kuten korkea taitekerroin, suuri epälineaarinen tarkkuus ja laaja kirkkaus.optinenkerroin, laaja toimintaspektrialue, viritettävyys, helppo integrointi jne., mikä tarjoaa uuden alustan valon säätelyn toteuttamiselle jaoptoelektroniset laitteet.
Kiinalainen tutkimusryhmä on ehdottanut menetelmää ultraohuiden optisten resonaattoreiden valmistamiseksi käyttämällä laaja-alaisesti kasvavia vismuttitelluridista valmistettuja topologisia eriste-nanofilmejä. Optinen ontelo osoittaa selviä resonanssin absorptio-ominaisuuksia lähi-infrapuna-alueella. Vismuttitelluridilla on erittäin korkea, yli 6:n taitekerroin optisella tiedonsiirtoalueella (korkeampi kuin perinteisten korkean taitekertoimen materiaalien, kuten piin ja germaniumin, taitekerroin), joten optisen ontelon paksuus voi saavuttaa yhden kahdeskymmenesosan resonanssiaallonpituudesta. Samanaikaisesti optinen resonaattori kerrostetaan yksiulotteiselle fotoniselle kiteelle, ja optisella tiedonsiirtoalueella havaitaan uudenlainen sähkömagneettisesti indusoitu läpinäkyvyysilmiö, joka johtuu resonaattorin kytkeytymisestä Tamm-plasmoniin ja sen tuhoisaan interferenssiin. Tämän ilmiön spektraalinen vaste riippuu optisen resonaattorin paksuudesta ja on kestävä ympäristön taitekertoimen muutokselle. Tämä työ avaa uuden tavan ultraohuiden optisten onteloiden, topologisten eristemateriaalien spektrin säätelyn ja optoelektronisten laitteiden toteuttamiselle.
Kuten kuvissa 1a ja 1b on esitetty, optinen resonaattori koostuu pääasiassa vismuttitelluridi-topologisesta eristeestä ja hopeananofilmeistä. Magnetronsputteroinnilla valmistetuilla vismuttitelluridi-nanofilmeillä on suuri pinta-ala ja hyvä tasaisuus. Kun vismuttitelluridi- ja hopeafilmien paksuus on vastaavasti 42 nm ja 30 nm, optinen ontelo osoittaa voimakasta resonanssiabsorptiota 1100–1800 nm:n kaistalla (kuva 1c). Kun tutkijat integroivat tämän optisen ontelon fotoniseen kiteeseen, joka oli valmistettu vuorotellen Ta2O5- (182 nm) ja SiO2- (260 nm) kerrosten pinoista (kuva 1e), alkuperäisen resonanssiabsorptiopiikin (~1550 nm) lähelle ilmestyi selkeä absorptiolaakso (kuva 1f), joka on samanlainen kuin atomijärjestelmien tuottama sähkömagneettisesti indusoitu läpinäkyvyysvaikutus.

Vismuttitelluridimateriaali karakterisoitiin läpäisyelektronimikroskopialla ja ellipsometrialla. KUVA 2a-2c esittää vismuttitelluridinanofilmien läpäisyelektronimikroskooppikuvia (korkean resoluution kuvia) ja valittuja elektronidiffraktiokuvioita. Kuvasta voidaan nähdä, että valmistetut vismuttitelluridinanofilmit ovat polykiteisiä materiaaleja, ja niiden pääasiallinen kasvusuunta on (015) kidetaso. KUVA 2d-2f esittää vismuttitelluridin ellipsometrillä mitatun kompleksitaitekertoimen sekä sovitetun pintatilan ja tilakompleksitaitekertoimen. Tulokset osoittavat, että pintatilan ekstinktiokerroin on suurempi kuin taitekerroin aallonpituusalueella 230–1930 nm, mikä osoittaa metallimaisia ​​ominaisuuksia. Kappaleen taitekerroin on yli 6 aallonpituudella, joka on yli 1385 nm, mikä on paljon korkeampi kuin piin, germaniumin ja muiden perinteisten korkean taitekertoimen materiaalien tällä alueella, mikä luo pohjan erittäin ohuiden optisten resonaattoreiden valmistukselle. Tutkijat huomauttavat, että tämä on ensimmäinen raportoitu toteutus topologisesta eristeestä, tasomaisesta optisesta ontelosta, jonka paksuus on vain kymmeniä nanometrejä optisella tiedonsiirtokaistalla. Seuraavaksi mitattiin ultraohuen optisen ontelon absorptiospektri ja resonanssiaallonpituus vismuttitelluridin paksuudella. Lopuksi tutkitaan hopeakalvon paksuuden vaikutusta sähkömagneettisesti indusoituihin läpinäkyvyysspektreihin vismuttitelluridin nanoontelo-/fotonisissa kiderakenteissa.

Valmistamalla suuria, litteitä ohuita kalvoja vismuttitelluridi-topologisista eristeistä ja hyödyntämällä vismuttitelluridimateriaalien erittäin korkeaa taitekerrointa lähi-infrapuna-alueella saadaan aikaan tasomainen optinen ontelo, jonka paksuus on vain kymmeniä nanometrejä. Erittäin ohut optinen ontelo pystyy toteuttamaan tehokkaan resonanssivalon absorption lähi-infrapuna-alueella, ja sillä on tärkeä sovellusarvo optoelektronisten laitteiden kehittämisessä optisen tiedonsiirron alueella. Vismuttitelluridi-optisen ontelon paksuus on lineaarinen resonanssiaallonpituuden kanssa ja pienempi kuin vastaavan pii- ja germanium-optisen ontelon paksuus. Samalla vismuttitelluridi-optinen ontelo on integroitu fotoniseen kiteeseen, jolloin saavutetaan anomaalinen optinen vaikutus, joka on samanlainen kuin atomijärjestelmän sähkömagneettisesti indusoitu läpinäkyvyys, mikä tarjoaa uuden menetelmän mikrorakenteen spektrin säätelyyn. Tällä tutkimuksella on tietty rooli topologisten eristemateriaalien tutkimuksen edistämisessä valonsäätelyssä ja optisissa toiminnallisissa laitteissa.