Optical communication band, ultra-thin optical resonator

Optical communication band, ultra-thin optical resonator
Kayang i-localize ng mga optical resonator ang mga partikular na wavelength ng mga light wave sa isang limitadong espasyo, at may mahahalagang aplikasyon sa interaksyon ng light-matter.komunikasyong optikal, optical sensing, at optical integration. Ang laki ng resonator ay pangunahing nakadepende sa mga katangian ng materyal at sa operating wavelength, halimbawa, ang mga silicon resonator na tumatakbo sa near infrared band ay karaniwang nangangailangan ng mga optical structure na daan-daang nanometer pataas. Sa mga nakaraang taon, ang mga ultra-thin planar optical resonator ay nakakuha ng maraming atensyon dahil sa kanilang mga potensyal na aplikasyon sa structural color, holographic imaging, light field regulation at optoelectronic device. Ang kung paano bawasan ang kapal ng mga planar resonator ay isa sa mga mahirap na problemang kinakaharap ng mga mananaliksik.
Naiiba sa mga tradisyunal na materyales na semiconductor, ang mga 3D topological insulator (tulad ng bismuth telluride, antimony telluride, bismuth selenide, atbp.) ay mga bagong materyales sa impormasyon na may mga estado ng ibabaw ng metal at mga estado ng insulator na protektado sa topolohiya. Ang estado ng ibabaw ay protektado ng symmetry ng time inversion, at ang mga electron nito ay hindi nakakalat ng mga non-magnetic impurities, na may mahahalagang prospect ng aplikasyon sa low-power quantum computing at mga spintronic device. Kasabay nito, ang mga materyales ng topological insulator ay nagpapakita rin ng mahusay na mga optical properties, tulad ng mataas na refractive index, malaking nonlinear.optikalkoepisyent, malawak na saklaw ng spectrum na gumagana, kakayahang umangkop, madaling pagsasama, atbp., na nagbibigay ng isang bagong plataporma para sa pagsasakatuparan ng regulasyon ng liwanag atmga aparatong optoelektroniko.
Isang pangkat ng pananaliksik sa Tsina ang nagpanukala ng isang pamamaraan para sa paggawa ng mga ultra-thin optical resonator gamit ang malalaking lugar na lumalagong bismuth telluride topological insulator nanofilms. Ang optical cavity ay nagpapakita ng malinaw na resonance absorption characteristics sa near 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 mga tradisyonal na high refractive index na materyales tulad ng silicon at germanium), kaya ang kapal ng optical cavity ay maaaring umabot sa ikadalawampu ng resonance wavelength. Kasabay nito, ang optical resonator ay idineposito sa isang one-dimensional photonic crystal, at isang nobelang electromagnetically induced transparency effect ang naobserbahan sa optical communication band, na dahil sa pagkabit ng resonator sa Tamm plasmon at sa mapanirang interference nito. Ang spectral response 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 devices.
Gaya ng ipinapakita sa FIG. 1a at 1b, ang optical resonator ay pangunahing binubuo ng isang bismuth telluride topological insulator at mga silver nanofilm. Ang mga bismuth telluride nanofilm na inihanda sa pamamagitan ng magnetron sputtering ay may malawak na lawak at mahusay na pagkapatas. 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 band na 1100~1800 nm (Figure 1c). Nang isama ng mga mananaliksik ang optical cavity na ito sa isang photonic crystal na gawa sa salit-salit na stack ng Ta2O5 (182 nm) at SiO2 (260 nm) na mga layer (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 kinilala gamit ang transmission electron microscopy at ellipsometry. Ipinapakita ng FIG. 2a-2c ang mga transmission electron micrograph (mga imaheng may mataas na resolusyon) at mga piling pattern ng electron diffraction ng mga bismuth telluride nanofilms. Makikita mula sa pigura na ang inihandang bismuth telluride nanofilms ay mga polycrystalline na materyales, at ang pangunahing oryentasyon ng paglaki ay (015) crystal plane. Ipinapakita ng Figure 2d-2f ang complex refractive index ng bismuth telluride na sinukat ng ellipsometer at ang fitted surface state at state complex refractive index. Ipinapakita ng mga resulta 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 parang metal. Ang refractive index ng katawan ay higit sa 6 kapag ang wavelength ay higit sa 1385 nm, na mas mataas kaysa sa silicon, germanium at iba pang tradisyonal na high-refractive index na materyales sa band na ito, na siyang naglalatag ng pundasyon para sa paghahanda ng mga ultra-thin 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 absorption spectrum at resonance wavelength ng ultra-thin optical cavity ay sinukat gamit ang kapal ng bismuth telluride. Panghuli, sinisiyasat ang epekto ng kapal ng silver film sa electromagnetically induced transparency spectra sa bismuth telluride nanocavity/photonic crystal structures.

Sa pamamagitan ng paghahanda ng malalaking patag at manipis na pelikula ng mga topological insulator ng bismuth telluride, at paggamit ng ultra-high refractive index ng mga materyales ng Bismuth telluride sa near infrared band, nakakamit ang isang planar optical cavity na may kapal na sampu-sampung nanometer lamang. Ang ultra-thin optical cavity ay maaaring makamit ang mahusay na resonant light absorption sa near infrared band, at may mahalagang halaga ng aplikasyon sa pagbuo ng mga optoelectronic device 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 anomalous optical effect na katulad ng electromagnetically induced transparency ng atomic system, na nagbibigay ng isang bagong pamamaraan 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 material sa light regulation at optical functional device.