Optical na banda ng komunikasyon, ultra-manipis na optical resonator

Optical na banda ng komunikasyon, ultra-manipis na optical resonator
Ang mga optical resonator ay maaaring mag-localize ng mga partikular na wavelength ng mga light wave sa isang limitadong espasyo, at may mahalagang mga aplikasyon sa pakikipag-ugnayan ng light-matter,optical na komunikasyon, optical sensing, at optical integration. Ang laki ng resonator ay pangunahing nakasalalay sa mga katangian ng materyal at ang operating wavelength, halimbawa, ang mga silicon resonator na tumatakbo sa malapit na infrared na banda ay karaniwang nangangailangan ng mga optical na istruktura ng daan-daang nanometer pataas. Sa mga nagdaang taon, ang mga ultra-manipis na planar optical resonator ay nakakaakit ng maraming atensyon dahil sa kanilang mga potensyal na aplikasyon sa structural color, holographic imaging, light field regulation at optoelectronic device. Kung paano bawasan ang kapal ng mga planar resonator ay isa sa mga mahirap na problemang kinakaharap ng mga mananaliksik.
Iba sa tradisyonal na semiconductor na materyales, ang mga 3D topological insulator (gaya ng bismuth telluride, antimony telluride, bismuth selenide, atbp.) ay mga bagong materyal na impormasyon na may topologically protected metal surface states at insulator states. Ang surface state ay pinoprotektahan ng symmetry ng time inversion, at ang mga electron nito ay hindi nakakalat ng mga non-magnetic impurities, na may mahalagang mga prospect ng aplikasyon sa low-power quantum computing at spintronic device. Kasabay nito, ang mga topological insulator na materyales ay nagpapakita rin ng mahusay na optical properties, tulad ng mataas na refractive index, malaking nonlinear.opticalkoepisyent, malawak na hanay ng spectrum ng pagtatrabaho, tunability, madaling pagsasama, atbp., na nagbibigay ng bagong plataporma para sa pagsasakatuparan ng magaan na regulasyon atoptoelectronic na mga aparato.
Ang isang pangkat ng pananaliksik sa China ay nagmungkahi ng isang paraan para sa paggawa ng mga ultra-manipis na optical resonator sa pamamagitan ng paggamit ng malalaking lugar na lumalaking bismuth telluride topological insulator nanofilms. Ang optical cavity ay nagpapakita ng malinaw na resonance absorption na mga katangian sa malapit na infrared band. Ang bismuth telluride ay may napakataas na refractive index na higit sa 6 sa optical communication band (mas mataas kaysa sa refractive index ng tradisyunal na high refractive index na materyales tulad ng silicon at germanium), upang ang optical cavity kapal ay umabot sa ikadalawampu ng resonance haba ng daluyong. Kasabay nito, ang optical resonator ay idineposito sa isang one-dimensional na photonic crystal, at isang nobelang electromagnetically induced transparency effect ay sinusunod sa optical communication band, na dahil sa pagkabit ng resonator sa Tamm plasmon at ang mapanirang interference nito. . Ang spectral na tugon ng epektong ito ay nakasalalay sa kapal ng optical resonator at matatag sa pagbabago ng ambient refractive index. Ang gawaing ito ay nagbubukas ng isang bagong paraan para sa pagsasakatuparan ng ultrathin optical cavity, topological insulator material spectrum regulation at optoelectronic device.
Gaya ng ipinapakita sa FIG. 1a at 1b, ang optical resonator ay pangunahing binubuo ng isang bismuth telluride topological insulator at silver nanofilms. Ang mga bismuth telluride nanofilm na inihanda ng magnetron sputtering ay may malaking lugar at magandang flatness. Kapag ang kapal ng bismuth telluride at silver films ay 42 nm at 30 nm, ayon sa pagkakabanggit, ang optical cavity ay nagpapakita ng malakas na resonance absorption sa banda ng 1100 ~ 1800 nm (Larawan 1c). Nang isinama ng mga mananaliksik ang optical cavity na ito sa isang photonic crystal na gawa sa mga alternating stack ng Ta2O5 (182 nm) at SiO2 (260 nm) layers (Figure 1e), isang natatanging absorption valley (Figure 1f) ang lumitaw malapit sa orihinal na resonant absorption peak (~ 1550 nm), na katulad ng electromagnetically induced transparency effect na ginawa ng mga atomic system.

Ang materyal na bismuth telluride ay nailalarawan sa pamamagitan ng transmission electron microscopy at ellipsometry. FIG. Ang 2a-2c ay nagpapakita ng transmission electron micrographs (high-resolution na mga imahe) at mga napiling electron diffraction pattern ng bismuth telluride nanofilms. Makikita mula sa figure na ang inihandang bismuth telluride nanofilms ay polycrystalline na materyales, at ang pangunahing oryentasyon ng paglago ay (015) na kristal na eroplano. Ipinapakita ng Figure 2d-2f ang kumplikadong refractive index ng bismuth telluride na sinusukat ng ellipsometer at ang fitted surface state at state complex refractive index. Ang mga resulta ay nagpapakita na ang extinction coefficient ng surface state ay mas malaki kaysa sa refractive index sa hanay na 230~1930 nm, na nagpapakita ng mga katangiang tulad ng metal. Ang refractive index ng katawan ay higit sa 6 kapag ang wavelength ay mas malaki kaysa sa 1385 nm, na mas mataas kaysa sa silicon, germanium at iba pang tradisyonal na high-refractive index na materyales sa banda na ito, na naglalagay ng pundasyon para sa paghahanda ng ultra -manipis na optical resonator. Itinuturo ng mga mananaliksik na ito ang unang naiulat na pagsasakatuparan ng isang topological insulator planar optical cavity na may kapal na sampu-sampung nanometer lamang sa optical communication band. Kasunod nito, ang spectrum ng pagsipsip at resonance wavelength ng ultra-thin optical na lukab ay sinusukat sa kapal ng bismuth telluride. Sa wakas, ang epekto ng kapal ng silver film sa electromagnetically induced transparency spectra sa bismuth telluride nanocavity/photonic crystal structures ay sinisiyasat.

Sa pamamagitan ng paghahanda ng malalaking lugar na flat thin films ng bismuth telluride topological insulators, at pagsasamantala sa ultra-high refractive index ng Bismuth telluride materials sa malapit na infrared band, isang planar optical cavity na may kapal na sampu-sampung nanometer lamang. Ang ultra-manipis na optical cavity ay maaaring mapagtanto ang mahusay na resonant light absorption sa malapit na infrared band, at may mahalagang halaga ng aplikasyon sa pagbuo ng mga optoelectronic na aparato sa optical communication band. Ang kapal ng bismuth telluride optical cavity ay linear sa resonant wavelength, at mas maliit kaysa sa katulad na silicon at germanium optical cavity. Kasabay nito, ang bismuth telluride optical cavity ay isinama sa photonic crystal upang makamit ang maanomalyang optical effect na katulad ng electromagnetically induced transparency ng atomic system, na nagbibigay ng bagong paraan para sa spectrum regulation ng microstructure. Ang pag-aaral na ito ay gumaganap ng isang tiyak na papel sa pagtataguyod ng pananaliksik ng mga topological insulator na materyales sa light regulation at optical functional device.