Banda de comunicación óptica, resonador óptico ultrafino
Os resonadores ópticos poden localizar lonxitudes de onda específicas de ondas de luz nun espazo limitado e teñen aplicacións importantes na interacción luz-materia.comunicación óptica, detección óptica e integración óptica. O tamaño do resonador depende principalmente das características do material e da lonxitude de onda de funcionamento; por exemplo, os resonadores de silicio que operan na banda do infravermello próximo adoitan requirir estruturas ópticas de centos de nanómetros ou máis. Nos últimos anos, os resonadores ópticos planos ultrafinos chamaron moita atención debido ás súas posibles aplicacións en cores estruturais, imaxes holográficas, regulación do campo de luz e dispositivos optoelectrónicos. Como reducir o grosor dos resonadores planos é un dos problemas difíciles aos que se enfrontan os investigadores.
A diferenza dos materiais semicondutores tradicionais, os illantes topolóxicos 3D (como o telururo de bismuto, o telururo de antimonio, o seleniuro de bismuto, etc.) son novos materiais de información con estados superficiais metálicos e estados illantes topoloxicamente protexidos. O estado superficial está protexido pola simetría da inversión temporal e os seus electróns non se dispersan por impurezas non magnéticas, o que ten importantes perspectivas de aplicación en computación cuántica de baixa potencia e dispositivos espintrónicos. Ao mesmo tempo, os materiais illantes topolóxicos tamén mostran excelentes propiedades ópticas, como un alto índice de refracción, grandes propiedades non lineais...ópticocoeficiente, amplo rango de espectro de traballo, sintonizabilidade, fácil integración, etc., o que proporciona unha nova plataforma para a realización da regulación da luz edispositivos optoelectrónicos.
Un equipo de investigación na China propuxo un método para a fabricación de resonadores ópticos ultrafinos empregando nanopelículas illantes topolóxicos de telururo de bismuto de gran área de crecemento. A cavidade óptica mostra unhas características de absorción de resonancia evidentes na banda do infravermello próximo. O telururo de bismuto ten un índice de refracción moi alto, superior a 6, na banda de comunicación óptica (superior ao índice de refracción dos materiais tradicionais de alto índice de refracción, como o silicio e o xermanio), de xeito que o grosor da cavidade óptica pode alcanzar unha vixésima parte da lonxitude de onda de resonancia. Ao mesmo tempo, o resonador óptico deposítase sobre un cristal fotónico unidimensional e obsérvase un novo efecto de transparencia inducido electromagnéticamente na banda de comunicación óptica, que se debe ao acoplamento do resonador co plasmón de Tamm e á súa interferencia destrutiva. A resposta espectral deste efecto depende do grosor do resonador óptico e é robusta ao cambio do índice de refracción ambiental. Este traballo abre un novo camiño para a realización de cavidades ópticas ultrafinas, regulación do espectro de materiais illantes topolóxicos e dispositivos optoelectrónicos.
Como se mostra nas figuras 1a e 1b, o resonador óptico está composto principalmente por un illante topolóxico de telururo de bismuto e nanopelículas de prata. As nanopelículas de telururo de bismuto preparadas por pulverización catódica con magnetrón teñen unha gran área e unha boa planitude. Cando o grosor das películas de telururo de bismuto e prata é de 42 nm e 30 nm, respectivamente, a cavidade óptica presenta unha forte absorción de resonancia na banda de 1100~1800 nm (Figura 1c). Cando os investigadores integraron esta cavidade óptica nun cristal fotónico feito de pilas alternas de capas de Ta2O5 (182 nm) e SiO2 (260 nm) (Figura 1e), apareceu un val de absorción distinto (Figura 1f) preto do pico de absorción resonante orixinal (~1550 nm), que é similar ao efecto de transparencia inducido electromagnéticamente producido polos sistemas atómicos.
O material de teluro de bismuto caracterizouse mediante microscopía electrónica de transmisión e elipsometría. As figuras 2a-2c mostran micrografías electrónicas de transmisión (imaxes de alta resolución) e patróns de difracción electrónica seleccionados de nanopelículas de teluro de bismuto. Na figura pódese ver que as nanopelículas de teluro de bismuto preparadas son materiais policristalinos e que a principal orientación de crecemento é o plano cristalino (015). As figuras 2d-2f mostran o índice de refracción complexo do teluro de bismuto medido por elipsómetro e o estado superficial axustado e o índice de refracción complexo do estado. Os resultados mostran que o coeficiente de extinción do estado superficial é maior que o índice de refracción no rango de 230~1930 nm, o que mostra características metálicas. O índice de refracción do corpo é superior a 6 cando a lonxitude de onda é superior a 1385 nm, o que é moito maior que o do silicio, o xermanio e outros materiais tradicionais de alto índice de refracción nesta banda, o que senta as bases para a preparación de resonadores ópticos ultrafinos. Os investigadores sinalan que esta é a primeira realización rexistrada dunha cavidade óptica planar illante topolóxico cun grosor de só decenas de nanómetros na banda de comunicación óptica. Posteriormente, medíronse o espectro de absorción e a lonxitude de onda de resonancia da cavidade óptica ultrafina co grosor do telururo de bismuto. Finalmente, investigouse o efecto do grosor da película de prata nos espectros de transparencia inducidos electromagnéticamente en nanocavidades/estruturas de cristal fotónico de telururo de bismuto.
Mediante a preparación de películas finas e planas de gran área de illantes topolóxicos de teluro de bismuto e aproveitando o índice de refracción ultraalto dos materiais de teluro de bismuto na banda do infravermello próximo, obtense unha cavidade óptica planar cun grosor de só decenas de nanómetros. A cavidade óptica ultrafina pode lograr unha absorción de luz resonante eficiente na banda do infravermello próximo e ten un importante valor de aplicación no desenvolvemento de dispositivos optoelectrónicos na banda de comunicación óptica. O grosor da cavidade óptica de teluro de bismuto é lineal coa lonxitude de onda resonante e é menor que o doutras cavidades ópticas similares de silicio e xermanio. Ao mesmo tempo, a cavidade óptica de teluro de bismuto está integrada cun cristal fotónico para lograr o efecto óptico anómalo similar á transparencia inducida electromagnéticamente do sistema atómico, o que proporciona un novo método para a regulación do espectro da microestrutura. Este estudo desempeña un certo papel na promoción da investigación de materiais illantes topolóxicos na regulación da luz e nos dispositivos funcionais ópticos.
Data de publicación: 30 de setembro de 2024