Bande de communication optique, résonateur optique ultra-mince

Bande de communication optique, résonateur optique ultra-mince
Les résonateurs optiques peuvent localiser des longueurs d'onde spécifiques d'ondes lumineuses dans un espace limité et ont des applications importantes dans l'interaction lumière-matière,communication optique, détection optique et intégration optique. La taille du résonateur dépend principalement des caractéristiques du matériau et de la longueur d'onde de fonctionnement. Par exemple, les résonateurs en silicium fonctionnant dans le proche infrarouge nécessitent généralement des structures optiques de plusieurs centaines de nanomètres et plus. Ces dernières années, les résonateurs optiques plans ultra-minces ont suscité un vif intérêt en raison de leurs applications potentielles dans la couleur structurelle, l'imagerie holographique, la régulation du champ lumineux et les dispositifs optoélectroniques. La réduction de l'épaisseur des résonateurs plans est l'un des défis majeurs auxquels sont confrontés les chercheurs.
Contrairement aux matériaux semi-conducteurs traditionnels, les isolants topologiques 3D (tels que le tellurure de bismuth, le tellurure d'antimoine, le séléniure de bismuth, etc.) sont de nouveaux matériaux d'information dotés d'états de surface métalliques et d'états isolants topologiquement protégés. L'état de surface est protégé par la symétrie d'inversion du temps, et ses électrons ne sont pas diffusés par des impuretés non magnétiques, ce qui ouvre d'importantes perspectives d'application dans l'informatique quantique basse consommation et les dispositifs spintroniques. Parallèlement, les isolants topologiques présentent d'excellentes propriétés optiques, telles qu'un indice de réfraction élevé et une grande non-linéarité.optiquecoefficient, large spectre de travail, accordabilité, intégration facile, etc., qui fournit une nouvelle plate-forme pour la réalisation de la régulation de la lumière etdispositifs optoélectroniques.
Une équipe de recherche chinoise a proposé une méthode de fabrication de résonateurs optiques ultra-minces utilisant des nanofilms isolants topologiques en tellurure de bismuth à croissance de grande surface. La cavité optique présente des caractéristiques d'absorption de résonance évidentes dans le proche infrarouge. Le tellurure de bismuth présente un indice de réfraction très élevé, supérieur à 6, dans la bande de communication optique (supérieur à celui des matériaux traditionnels à indice de réfraction élevé tels que le silicium et le germanium), de sorte que l'épaisseur de la cavité optique peut atteindre un vingtième de la longueur d'onde de résonance. Parallèlement, le résonateur optique est déposé sur un cristal photonique unidimensionnel, et un nouvel effet de transparence induit électromagnétiquement est observé dans la bande de communication optique, dû au couplage du résonateur avec le plasmon de Tamm et à son interférence destructive. La réponse spectrale de cet effet dépend de l'épaisseur du résonateur optique et est résistante aux variations de l'indice de réfraction ambiant. Ce travail ouvre une nouvelle voie pour la réalisation de cavités optiques ultraminces, de régulation du spectre des matériaux isolants topologiques et de dispositifs optoélectroniques.
Comme le montrent les figures 1a et 1b, le résonateur optique est principalement composé d'un isolant topologique en tellurure de bismuth et de nanofilms d'argent. Les nanofilms de tellurure de bismuth préparés par pulvérisation magnétron présentent une grande surface et une bonne planéité. Lorsque l'épaisseur des films de tellurure de bismuth et d'argent est respectivement de 42 nm et 30 nm, la cavité optique présente une forte absorption résonante dans la bande de 1 100 à 1 800 nm (figure 1c). Lorsque les chercheurs ont intégré cette cavité optique à un cristal photonique constitué d'empilements alternés de couches de Ta₂O₆ (182 nm) et de SiO₂ (260 nm) (figure 1e), une vallée d'absorption distincte (figure 1f) est apparue près du pic d'absorption résonnant d'origine (~1 550 nm), similaire à l'effet de transparence induit électromagnétiquement par les systèmes atomiques.

Le tellurure de bismuth a été caractérisé par microscopie électronique à transmission et ellipsométrie. Les figures 2a à 2c présentent des micrographies électroniques à transmission (images haute résolution) et des diagrammes de diffraction électronique sélectionnés de nanofilms de tellurure de bismuth. On peut observer sur cette figure que les nanofilms de tellurure de bismuth préparés sont des matériaux polycristallins, et que l'orientation de croissance principale est le plan cristallin (015). Les figures 2d à 2f présentent l'indice de réfraction complexe du tellurure de bismuth mesuré par ellipsomètre, ainsi que l'état de surface et l'indice de réfraction complexe ajustés. Les résultats montrent que le coefficient d'extinction de l'état de surface est supérieur à l'indice de réfraction dans la plage de 230 à 1930 nm, présentant des caractéristiques similaires à celles d'un métal. L'indice de réfraction du corps est supérieur à 6 lorsque la longueur d'onde est supérieure à 1 385 nm, ce qui est bien supérieur à celui du silicium, du germanium et d'autres matériaux traditionnels à indice de réfraction élevé dans cette bande, ce qui pose les bases de la préparation de résonateurs optiques ultra-minces. Les chercheurs soulignent qu'il s'agit de la première réalisation rapportée d'une cavité optique plane à isolant topologique d'une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres seulement dans la bande de communication optique. Par la suite, le spectre d'absorption et la longueur d'onde de résonance de la cavité optique ultra-mince ont été mesurés avec l'épaisseur du tellurure de bismuth. Enfin, l'effet de l'épaisseur du film d'argent sur les spectres de transparence induits électromagnétiquement dans les nanocavités/structures cristallines photoniques en tellurure de bismuth est étudié.

En préparant de grandes couches minces planes d'isolants topologiques en tellurure de bismuth et en tirant parti de l'indice de réfraction ultra-élevé des matériaux en tellurure de bismuth dans le proche infrarouge, on obtient une cavité optique plane de quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur seulement. Cette cavité optique ultra-mince permet une absorption lumineuse résonante efficace dans le proche infrarouge et présente une valeur d'application importante pour le développement de dispositifs optoélectroniques dans la bande de communication optique. L'épaisseur de la cavité optique en tellurure de bismuth est linéaire par rapport à la longueur d'onde de résonance et inférieure à celle des cavités optiques similaires en silicium et en germanium. Parallèlement, la cavité optique en tellurure de bismuth est intégrée à un cristal photonique pour obtenir un effet optique anormal similaire à la transparence induite électromagnétiquement d'un système atomique, offrant ainsi une nouvelle méthode de régulation spectrale de la microstructure. Cette étude contribue à promouvoir la recherche sur les matériaux isolants topologiques pour la régulation de la lumière et les dispositifs optiques fonctionnels.