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 aplicaciones importantes en la interacción luz-materia.comunicación ópticaDetección óptica e integración óptica. 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 planos ultrafinos han atraído mucha atención debido a sus posibles aplicaciones en color estructural, imágenes holográficas, regulación del campo de luz y dispositivos optoelectrónicos. Reducir el grosor de los resonadores planos es uno de los problemas más complejos que enfrentan los investigadores.
A diferencia de los materiales semiconductores tradicionales, los aislantes topológicos 3D (como el telururo de bismuto, el telururo de antimonio, el seleniuro de bismuto, etc.) son nuevos materiales de información con estados superficiales metálicos y aislantes topológicamente protegidos. El estado superficial está protegido por la simetría de la inversión temporal, y sus electrones no se dispersan por impurezas no magnéticas, lo que presenta importantes posibilidades de aplicación en la computación cuántica de bajo consumo y los dispositivos espintrónicos. Al mismo tiempo, los materiales aislantes topológicos también presentan excelentes propiedades ópticas, como un alto índice de refracción y una gran no linealidad.ópticocoeficiente, amplio rango de espectro 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 nanopelículas aislantes topológicas de telururo de bismuto de gran área de crecimiento. La cavidad óptica muestra características de absorción de resonancia obvias en la banda del infrarrojo cercano. El telururo de bismuto tiene un índice de refracción muy alto de más de 6 en la banda de comunicación óptica (más alto que el índice de refracción de los materiales tradicionales de alto índice de refracción como el silicio y el germanio), de modo que el espesor de la cavidad óptica puede alcanzar una vigésima parte de la longitud de onda de resonancia. Al mismo tiempo, el resonador óptico se deposita en un cristal fotónico unidimensional, y se observa un novedoso efecto de transparencia inducido electromagnéticamente en la banda de comunicación óptica, que se debe 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 al cambio del índice de refracción ambiental. Este trabajo abre un nuevo camino para la realización de cavidades ópticas ultradelgadas, regulación del espectro de materiales aislantes topológicos y dispositivos optoelectrónicos.
Como se muestra en las figuras 1a y 1b, el resonador óptico está compuesto principalmente por un aislante topológico de telururo de bismuto y nanopelículas de plata. Las nanopelículas de telururo de bismuto preparadas mediante pulverización catódica magnetrónica presentan una gran área y 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 por resonancia en la banda de 1100 a 1800 nm (figura 1c). Al integrar esta cavidad óptica en un cristal fotónico compuesto por capas alternadas de Ta₂O₃ (182 nm) y SiO₂ (260 nm) (figura 1e), apareció un valle de absorción distintivo (figura 1f) cerca del pico de absorción resonante original (aproximadamente 1550 nm), similar al efecto de transparencia inducido electromagnéticamente por los 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 de electrones seleccionados de nanopelículas de telururo de bismuto. Se puede observar en la figura que las nanopelículas de telururo de bismuto preparadas son materiales policristalinos, y la principal orientación de crecimiento es el plano cristalino (015). Las figuras 2d-2f muestran el índice de refracción complejo del telururo de bismuto medido por elipsómetro y el estado superficial ajustado y el índice de refracción complejo de estado. Los resultados muestran que el coeficiente de extinción del estado superficial es mayor que el índice de refracción en el rango de 230 a 1930 nm, mostrando características similares a las de un metal. El índice de refracción del cuerpo es superior a 6 cuando la longitud de onda es superior a 1385 nm, un valor muy superior al del silicio, el germanio y otros materiales tradicionales de alto índice de refracción en esta banda, lo que sienta las bases para la preparación de resonadores ópticos ultrafinos. Los investigadores señalan que este es el primer informe sobre la realización de una cavidad óptica planar con aislante topológico con un espesor de tan solo decenas de nanómetros en la banda de comunicación óptica. Posteriormente, se midieron el espectro de absorción y la longitud de onda de resonancia de la cavidad óptica ultrafina con el espesor del telururo de bismuto. Finalmente, se investigó el efecto del espesor de la película de plata en los espectros de transparencia inducidos electromagnéticamente en nanocavidades/estructuras cristalinas fotónicas de telururo de bismuto.

Mediante la preparación de películas delgadas y planas de aislantes topológicos de telururo de bismuto de gran superficie y el aprovechamiento de su altísimo índice de refracción en el infrarrojo cercano, se obtiene una cavidad óptica plana con un espesor de tan solo decenas de nanómetros. Esta cavidad óptica ultrafina permite una eficiente absorción de luz resonante en el infrarrojo cercano y presenta un importante valor aplicativo en el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos en el ámbito de las comunicaciones ópticas. El espesor de la cavidad óptica de telururo de bismuto es lineal con la longitud de onda resonante y menor que el de cavidades ópticas similares de silicio y germanio. Al mismo tiempo, la cavidad óptica 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 la microestructura. Este estudio contribuye a promover la investigación de materiales aislantes topológicos en la regulación de la luz y dispositivos ópticos funcionales.