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 au silicium fonctionnant dans la bande proche infrarouge nécessitent généralement des structures optiques de plusieurs centaines de nanomètres et plus. Ces dernières années, les résonateurs optiques planaires ultra-minces ont attiré beaucoup d'attention en raison de leurs applications potentielles dans les domaines de la couleur structurelle, de l'imagerie holographique, de la régulation du champ lumineux et des dispositifs optoélectroniques. Comment réduire l’épaisseur des résonateurs planaires est l’un des problèmes difficiles auxquels sont confrontés les chercheurs.
Différent des 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 avec des états de surface métallique et des états d'isolant topologiquement protégés. L'état de surface est protégé par la symétrie de l'inversion du temps et ses électrons ne sont pas dispersés par des impuretés non magnétiques, ce qui présente d'importantes perspectives d'application dans l'informatique quantique de faible puissance et les dispositifs spintroniques. Dans le même temps, les matériaux isolants topologiques présentent également d'excellentes propriétés optiques, telles qu'un indice de réfraction élevé, de grandes propriétés non linéaires.optiquecoefficient, large plage de spectre de travail, accordabilité, intégration facile, etc., qui fournit une nouvelle plate-forme pour la réalisation de la régulation de la lumière etappareils optoélectroniques.
Une équipe de recherche en Chine a proposé une méthode de fabrication de résonateurs optiques ultra-minces en utilisant des nanofilms isolants topologiques en tellurure de bismuth croissant sur de grandes surfaces. La cavité optique présente des caractéristiques évidentes d’absorption de résonance dans la bande proche infrarouge. Le tellurure de bismuth a un indice de réfraction très élevé de plus de 6 dans la bande de communication optique (supérieur à l'indice de réfraction 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 résonance. longueur d'onde. Dans le même temps, 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 destructrice. . La réponse spectrale de cet effet dépend de l'épaisseur du résonateur optique et est robuste au changement de l'indice de réfraction ambiant. Ce travail ouvre une nouvelle voie pour la réalisation de cavités optiques ultraminces, la régulation du spectre des matériaux isolants topologiques et les dispositifs optoélectroniques.
Comme le montre la fig. 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. 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 de résonance dans la bande de 1 100 à 1 800 nm (Figure 1c). Lorsque les chercheurs ont intégré cette cavité optique sur un cristal photonique constitué d'empilements alternés de couches de Ta2O5 (182 nm) et de SiO2 (260 nm) (Figure 1e), une vallée d'absorption distincte (Figure 1f) est apparue près du pic d'absorption résonante d'origine (~ 1550 nm), ce qui est similaire à l’effet de transparence induit électromagnétiquement produit par les systèmes atomiques.

Le matériau tellurure de bismuth a été caractérisé par microscopie électronique à transmission et ellipsométrie. FIGUE. Les figures 2a à 2c montrent des micrographies électroniques à transmission (images haute résolution) et des diagrammes de diffraction électronique sélectionnés de nanofilms de tellurure de bismuth. Il ressort de la figure que les nanofilms de tellurure de bismuth préparés sont des matériaux polycristallins et que l'orientation principale de croissance est le plan cristallin (015). Les figures 2d à 2f montrent l'indice de réfraction complexe du tellurure de bismuth mesuré par ellipsomètre ainsi que l'état de surface ajusté et l'indice de réfraction complexe. 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 1 930 nm, montrant des caractéristiques semblables à celles d'un métal. L'indice de réfraction du corps est supérieur à 6 lorsque la longueur d'onde est supérieure à 1385 nm, ce qui est beaucoup plus élevé que celui du silicium, du germanium et d'autres matériaux traditionnels à indice de réfraction élevé dans cette bande, ce qui constitue une base pour la préparation d'ultra -des résonateurs optiques fins. Les chercheurs soulignent qu’il s’agit de la première réalisation rapportée d’une cavité optique planaire à isolant topologique d’une épaisseur de seulement quelques dizaines de nanomètres 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 structures de nanocavités/cristaux photoniques de tellurure de bismuth est étudié.

En préparant des films minces plats de grande surface 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 la bande infrarouge proche, une cavité optique planaire d'une épaisseur de seulement quelques dizaines de nanomètres est obtenue. La cavité optique ultra-mince peut réaliser une absorption efficace de la lumière résonante dans la bande proche infrarouge et présente une valeur d'application importante dans 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 est plus petite que celle d'une cavité optique similaire en silicium et en germanium. Dans le même temps, la cavité optique du tellurure de bismuth est intégrée au cristal photonique pour obtenir un effet optique anormal similaire à la transparence induite électromagnétiquement du système atomique, ce qui fournit une nouvelle méthode de régulation spectrale de la microstructure. Cette étude joue un certain rôle dans la promotion de la recherche de matériaux isolants topologiques dans la régulation de la lumière et les dispositifs fonctionnels optiques.