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 optiqueLes résonateurs optiques trouvent des applications dans la détection optique et l'intégration optique. Leur taille 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, voire plus. Ces dernières années, les résonateurs optiques planaires ultra-minces ont suscité un vif intérêt en raison de leurs applications potentielles dans la coloration structurale, l'imagerie holographique, la régulation des champs lumineux et les dispositifs optoélectroniques. La réduction de l'épaisseur des résonateurs planaires constitue l'un des principaux défis pour les chercheurs.
Contrairement aux 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 présentant des états de surface métalliques et des états isolants protégés topologiquement. L'état de surface est protégé par la symétrie d'inversion temporelle, et ses électrons ne sont pas diffusés par les impuretés non magnétiques, ce qui offre d'importantes perspectives d'application dans l'informatique quantique basse consommation et les dispositifs spintroniques. Par ailleurs, les isolants topologiques présentent également d'excellentes propriétés optiques, telles qu'un indice de réfraction élevé et une forte non-linéarité.optiquecoefficient, large gamme de spectre de fonctionnement, accordabilité, intégration facile, etc., ce qui offre une nouvelle plateforme pour la réalisation de la régulation de la lumière etdispositifs optoélectroniques.
Une équipe de recherche chinoise a mis au point une méthode de fabrication de résonateurs optiques ultra-minces à partir de nanofilms d'isolant topologique en tellurure de bismuth, obtenus par croissance sur grande surface. La cavité optique présente des caractéristiques d'absorption par résonance marquées dans le proche infrarouge. Le tellurure de bismuth possède un indice de réfraction très élevé, supérieur à 6 dans la bande de communication optique (plus élevé que celui des matériaux à indice de réfraction élevé traditionnels tels que le silicium et le germanium), permettant ainsi de réduire l'épaisseur de la cavité optique à un vingtième de la longueur d'onde de résonance. Par ailleurs, le résonateur optique est déposé sur un cristal photonique unidimensionnel, et un nouvel effet de transparence induite électromagnétiquement est observé dans la bande de communication optique. Cet effet est 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 robuste aux variations de l'indice de réfraction ambiant. Ces travaux ouvrent une nouvelle voie pour la réalisation de cavités optiques ultra-minces, la régulation du spectre des matériaux isolants topologiques et les dispositifs optoélectroniques.
Comme illustré sur les figures 1a et 1b, le résonateur optique est principalement composé d'un isolant topologique en tellurure de bismuth et de nanofilms d'argent. Ces nanofilms, préparés par pulvérisation magnétronique, présentent une grande surface et une excellente 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 1100-1800 nm (figure 1c). L'intégration de cette cavité optique sur un cristal photonique constitué d'empilements alternés de couches de Ta₂O₅ (182 nm) et de SiO₂ (260 nm) (figure 1e) a révélé l'apparition d'un creux d'absorption distinct (figure 1f) près du pic d'absorption résonant initial (~1550 nm), similaire à l'effet de transparence induite 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 observe que ces nanofilms sont polycristallins et que leur orientation de croissance principale est le plan cristallin (015). Les figures 2d à 2f montrent l'indice de réfraction complexe du tellurure de bismuth mesuré par ellipsométrie, ainsi que l'indice de réfraction complexe ajusté pour l'état de surface et l'état fondamental. Les résultats indiquent que le coefficient d'extinction de l'état de surface est supérieur à l'indice de réfraction dans la gamme de 230 à 1930 nm, ce qui confère au matériau des caractéristiques de type métallique. L'indice de réfraction du matériau est supérieur à 6 pour des longueurs d'onde supérieures à 1385 nm, une valeur bien plus élevée que celle du silicium, du germanium et d'autres matériaux à indice de réfraction élevé classiques dans cette bande spectrale. Ceci ouvre la voie à la fabrication de résonateurs optiques ultra-minces. Les chercheurs soulignent qu'il s'agit de la première réalisation rapportée d'une cavité optique planaire en isolant topologique d'une épaisseur de seulement quelques dizaines de nanomètres dans la bande des communications optiques. Le spectre d'absorption et la longueur d'onde de résonance de cette cavité optique ultra-mince ont ensuite été mesurés en fonction de l'épaisseur du tellurure de bismuth. Enfin, l'influence de l'épaisseur du film d'argent sur les spectres de transparence induite électromagnétiquement dans les structures nanocavité/cristal photonique en tellurure de bismuth a été étudiée.

En préparant des films minces et plans de grande surface d'isolants topologiques en tellurure de bismuth, et en tirant parti de l'indice de réfraction extrêmement élevé de ces matériaux dans le proche infrarouge, une cavité optique planaire d'une épaisseur de seulement quelques dizaines de nanomètres a été obtenue. Cette cavité optique ultra-mince permet une absorption résonante efficace de la lumière dans le proche infrarouge et présente un intérêt majeur pour le développement de dispositifs optoélectroniques destinés aux communications optiques. L'épaisseur de la cavité en tellurure de bismuth est proportionnelle à la longueur d'onde de résonance et est inférieure à celle des cavités optiques similaires en silicium et en germanium. Par ailleurs, l'intégration de cette cavité optique en tellurure de bismuth à un cristal photonique permet d'obtenir un effet optique anormal similaire à la transparence induite électromagnétiquement dans les systèmes atomiques, offrant ainsi une nouvelle méthode de contrôle spectral des microstructures. Cette étude contribue de manière significative à l'avancement de la recherche sur les matériaux isolants topologiques pour la régulation de la lumière et les dispositifs optiques fonctionnels.