Banda de comunicación óptica, resonador óptico ultrafino

Banda de comunicación óptica, resonador óptico ultrafino
Los resonadores ópticos pueden localizar longitudes de onda específicas de ondas de luz en un espacio limitado y tienen importantes aplicaciones en la interacción luz-materia.comunicación ópticaLa detección óptica y la integración óptica son áreas clave en la fabricación de resonadores. El tamaño del resonador depende principalmente de las características del material y la longitud de onda de operación; por ejemplo, los resonadores de silicio que operan en el infrarrojo cercano suelen requerir estructuras ópticas de cientos de nanómetros o más. En los últimos años, los resonadores ópticos planares ultrafinos han atraído gran atención debido a sus potenciales aplicaciones en color estructural, imagen holográfica, regulación de campos de luz y dispositivos optoelectrónicos. Reducir el grosor de los resonadores planares es uno de los desafíos más complejos para los investigadores.
A diferencia de los materiales semiconductores tradicionales, los aislantes topológicos tridimensionales (como el telururo de bismuto, el telururo de antimonio y el seleniuro de bismuto) son nuevos materiales de información que presentan estados superficiales metálicos y aislantes protegidos topológicamente. El estado superficial está protegido por la simetría de inversión temporal y sus electrones no se dispersan por impurezas no magnéticas, lo que ofrece importantes perspectivas de aplicación en computación cuántica de bajo consumo y dispositivos espintrónicos. Asimismo, los materiales aislantes topológicos también presentan excelentes propiedades ópticas, como un alto índice de refracción y una gran no linealidad.ópticocoeficiente, amplio rango espectral de trabajo, capacidad de ajuste, fácil integración, etc., lo que proporciona una nueva plataforma para la realización de la regulación de la luz ydispositivos optoelectrónicos.
Un equipo de investigación en China ha propuesto un método para la fabricación de resonadores ópticos ultrafinos mediante el uso de nanofilms de telururo de bismuto, un aislante topológico, cultivados en grandes áreas. La cavidad óptica presenta características de absorción resonante en la banda del infrarrojo cercano. El telururo de bismuto posee un índice de refracción muy alto, superior a 6, en la banda de comunicaciones ópticas (mayor que el de materiales tradicionales de alto índice de refracción como el silicio y el germanio), lo que permite que el espesor de la cavidad óptica alcance una vigésima parte de la longitud de onda de resonancia. Al depositar el resonador óptico sobre un cristal fotónico unidimensional, se observa un novedoso efecto de transparencia inducida electromagnéticamente en la banda de comunicaciones ópticas, debido al acoplamiento del resonador con el plasmón de Tamm y su interferencia destructiva. La respuesta espectral de este efecto depende del espesor del resonador óptico y es robusta ante cambios en el índice de refracción ambiental. Este trabajo abre un nuevo camino para la realización de cavidades ópticas ultrafinas, la regulación del espectro de materiales aislantes topológicos y dispositivos optoelectrónicos.
Como se muestra en las figuras 1a y 1b, el resonador óptico se compone principalmente de un aislante topológico de telururo de bismuto y nanofilms de plata. Los nanofilms de telururo de bismuto, preparados mediante pulverización catódica magnetrónica, presentan una gran área y una buena planitud. Cuando el espesor de las películas de telururo de bismuto y plata es de 42 nm y 30 nm, respectivamente, la cavidad óptica exhibe una fuerte absorción resonante en la banda de 1100 a 1800 nm (Figura 1c). Al integrar esta cavidad óptica en un cristal fotónico formado por capas alternas de Ta₂O₅ (182 nm) y SiO₂ (260 nm) (Figura 1e), apareció un valle de absorción bien definido (Figura 1f) cerca del pico de absorción resonante original (~1550 nm), similar al efecto de transparencia inducida electromagnéticamente producido por sistemas atómicos.

El material de telururo de bismuto se caracterizó mediante microscopía electrónica de transmisión y elipsometría. Las figuras 2a-2c muestran micrografías electrónicas de transmisión (imágenes de alta resolución) y patrones de difracción electrónica seleccionados de las nanofilms de telururo de bismuto. Se observa que las nanofilms preparadas son materiales policristalinos, con la orientación de crecimiento principal en el plano cristalino (015). Las figuras 2d-2f muestran el índice de refracción complejo del telururo de bismuto medido con elipsómetro, así como el índice de refracción complejo del estado superficial y del estado excitado. Los resultados indican que el coeficiente de extinción del estado superficial es mayor que el índice de refracción en el rango de 230 a 1930 nm, lo que demuestra características metálicas. El índice de refracción del material es superior a 6 cuando la longitud de onda es mayor que 1385 nm, un valor mucho mayor que el del silicio, el germanio y otros materiales tradicionales de alto índice de refracción en esta banda, lo que sienta las bases para la fabricación de resonadores ópticos ultrafinos. Los investigadores señalan que este es el primer caso documentado de una cavidad óptica planar de aislante topológico con un espesor de tan solo decenas de nanómetros en la banda de comunicaciones ópticas. Posteriormente, se midieron el espectro de absorción y la longitud de onda de resonancia de la cavidad óptica ultrafina en función del espesor del telururo de bismuto. Finalmente, se investigó el efecto del espesor de la película de plata en los espectros de transparencia inducida electromagnéticamente en estructuras de nanocavidad/cristal fotónico de telururo de bismuto.

Mediante la preparación de películas delgadas planas de gran superficie de aislantes topológicos de telururo de bismuto, y aprovechando el índice de refracción ultraalto de estos materiales en la banda del infrarrojo cercano, se obtiene una cavidad óptica planar con un espesor de tan solo decenas de nanómetros. Esta cavidad ultrafina permite una absorción de luz resonante eficiente en el infrarrojo cercano y posee un importante valor de aplicación en el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos para comunicaciones ópticas. El espesor de la cavidad de telururo de bismuto es lineal con la longitud de onda resonante y menor que el de cavidades ópticas similares de silicio y germanio. Asimismo, la cavidad de telururo de bismuto se integra con un cristal fotónico para lograr un efecto óptico anómalo similar a la transparencia inducida electromagnéticamente en sistemas atómicos, lo que proporciona un nuevo método para la regulación espectral de microestructuras. Este estudio contribuye al avance de la investigación de materiales aislantes topológicos en la regulación de la luz y en dispositivos ópticos funcionales.