Optiskā sakaru josla, īpaši plāns optiskais rezonators

Optiskā sakaru josla, īpaši plāns optiskais rezonators
Optiskie rezonatori var lokalizēt noteiktus gaismas viļņu viļņu garumus ierobežotā telpā, un tiem ir svarīgs pielietojums gaismas un matērijas mijiedarbībā,optiskā komunikācija, optiskā uztveršana un optiskā integrācija. Rezonatora izmērs galvenokārt ir atkarīgs no materiāla īpašībām un darbības viļņa garuma, piemēram, silīcija rezonatoriem, kas darbojas tuvajā infrasarkanajā joslā, parasti ir nepieciešamas simtiem nanometru un lielākas optiskās struktūras. Pēdējos gados īpaši plāni plaknes optiskie rezonatori ir piesaistījuši lielu uzmanību to potenciālo pielietojumu dēļ strukturālo krāsu, hologrāfiskās attēlveidošanas, gaismas lauka regulēšanas un optoelektroniskās ierīcēs. Plaknes rezonatoru biezuma samazināšana ir viena no sarežģītajām problēmām, ar ko saskaras pētnieki.
Atšķirībā no tradicionālajiem pusvadītāju materiāliem, 3D topoloģiskie izolatori (piemēram, bismuta telurīds, antimona telurīds, bismuta selenīds u. c.) ir jauni informācijas materiāli ar topoloģiski aizsargātiem metāla virsmas stāvokļiem un izolatora stāvokļiem. Virsmas stāvokli aizsargā laika inversijas simetrija, un tā elektronus neizkliedē nemagnētiski piemaisījumi, kam ir nozīmīgas pielietojuma iespējas mazjaudas kvantu skaitļošanā un spintronikas ierīcēs. Vienlaikus topoloģiskajiem izolatoriem ir arī izcilas optiskās īpašības, piemēram, augsts refrakcijas indekss, lielas nelineāras svārstībasoptiskaiskoeficients, plašs darba spektra diapazons, pielāgojamība, vienkārša integrācija utt., kas nodrošina jaunu platformu gaismas regulēšanas unoptoelektroniskās ierīces.
Ķīnas pētnieku komanda ir ierosinājusi metodi īpaši plānu optisko rezonatoru izgatavošanai, izmantojot lielas platības bismuta telurīda topoloģisko izolatoru nanofilmas. Optiskajam dobumam ir acīmredzamas rezonanses absorbcijas īpašības tuvajā infrasarkanajā joslā. Bismuta telurīdam ir ļoti augsts refrakcijas indekss – vairāk nekā 6 optiskās komunikācijas joslā (augstāks nekā tradicionālo augsta refrakcijas indeksa materiālu, piemēram, silīcija un germānija, refrakcijas indekss), tāpēc optiskā dobuma biezums var sasniegt vienu divdesmito daļu no rezonanses viļņa garuma. Vienlaikus optiskais rezonators tiek uzklāts uz viendimensiju fotoniskā kristāla, un optiskās komunikācijas joslā tiek novērots jauns elektromagnētiski inducēts caurspīdīguma efekts, kas rodas rezonatora savienojuma ar Tamma plazmonu un tā destruktīvās interferences dēļ. Šī efekta spektrālā reakcija ir atkarīga no optiskā rezonatora biezuma un ir noturīga pret apkārtējās vides refrakcijas indeksa izmaiņām. Šis darbs paver jaunu veidu īpaši plānu optisko dobumu, topoloģisko izolatoru materiālu spektra regulēšanas un optoelektronisko ierīču realizācijai.
Kā parādīts 1.a un 1.b attēlā, optiskais rezonators galvenokārt sastāv no bismuta telurīda topoloģiskā izolatora un sudraba nanoplēvēm. Ar magnetrona izsmidzināšanu sagatavotajām bismuta telurīda nanoplēvēm ir liela platība un labs līdzenums. Kad bismuta telurīda un sudraba plēvju biezums ir attiecīgi 42 nm un 30 nm, optiskais dobums uzrāda spēcīgu rezonanses absorbciju 1100–1800 nm joslā (1.c attēls). Kad pētnieki integrēja šo optisko dobumu fotoniskā kristālā, kas izgatavots no mainīgām Ta2O5 (182 nm) un SiO2 (260 nm) slāņu kārtām (1.e attēls), sākotnējā rezonanses absorbcijas maksimuma (~1550 nm) tuvumā parādījās atšķirīga absorbcijas ieleja (1.f attēls), kas ir līdzīga atomu sistēmu radītajam elektromagnētiski inducētajam caurspīdīguma efektam.

Bismuta telurīda materiāls tika raksturots ar transmisijas elektronmikroskopiju un elipsometriju. 2.a-2.c attēlā redzami bismuta telurīda nanofilmu transmisijas elektronmikroskopijas attēli (augstas izšķirtspējas attēli) un atlasītie elektronu difrakcijas modeļi. No attēla var redzēt, ka sagatavotās bismuta telurīda nanofilmas ir polikristāliski materiāli, un galvenā augšanas orientācija ir (015) kristāla plakne. 2.d-2.f attēlā parādīts bismuta telurīda kompleksais refrakcijas indekss, kas izmērīts ar elipsometru, un pielāgotais virsmas stāvoklis un stāvokļa kompleksais refrakcijas indekss. Rezultāti liecina, ka virsmas stāvokļa ekstinkcijas koeficients ir lielāks par refrakcijas indeksu diapazonā no 230 līdz 1930 nm, kas liecina par metālam līdzīgām īpašībām. Ķermeņa refrakcijas indekss ir lielāks par 6, ja viļņa garums ir lielāks par 1385 nm, kas ir daudz augstāks nekā silīcijam, germānijam un citiem tradicionāliem materiāliem ar augstu refrakcijas indeksu šajā joslā, kas liek pamatu īpaši plānu optisko rezonatoru izgatavošanai. Pētnieki norāda, ka šī ir pirmā ziņotā topoloģiska izolatora plaknes optiskā dobuma realizācija ar tikai desmitiem nanometru biezumu optiskās komunikācijas joslā. Pēc tam, izmantojot bismuta telurīda biezumu, tika mērīts īpaši plānā optiskā dobuma absorbcijas spektrs un rezonanses viļņa garums. Visbeidzot, tiek pētīta sudraba plēves biezuma ietekme uz elektromagnētiski inducētiem caurspīdīguma spektriem bismuta telurīda nanodobumu/fotonisko kristālu struktūrās.

Izgatavojot lielas laukuma plakanas plānas bismuta telurīda topoloģisko izolatoru plēves un izmantojot bismuta telurīda materiālu īpaši augsto refrakcijas indeksu tuvajā infrasarkanajā joslā, tiek iegūts plaknes optiskais dobums ar biezumu tikai desmitiem nanometru. Īpaši plānais optiskais dobums var realizēt efektīvu rezonanses gaismas absorbciju tuvajā infrasarkanajā joslā, un tam ir svarīga pielietojuma vērtība optoelektronisko ierīču izstrādē optisko sakaru joslā. Bismuta telurīda optiskā dobuma biezums ir lineārs rezonanses viļņa garumam un ir mazāks nekā līdzīga silīcija un germānija optiskā dobuma biezums. Tajā pašā laikā bismuta telurīda optiskais dobums ir integrēts ar fotonisko kristālu, lai panāktu anomālu optisko efektu, kas līdzīgs atomu sistēmas elektromagnētiski inducētajai caurspīdībai, kas nodrošina jaunu metodi mikrostruktūras spektra regulēšanai. Šim pētījumam ir noteikta loma topoloģisko izolatoru materiālu pētījumu veicināšanā gaismas regulēšanas un optiskajās funkcionālajās ierīcēs.