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 óptica, detección 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 la banda del infrarrojo cercano generalmente requieren estructuras ópticas de cientos de nanómetros o más. En los últimos años, los resonadores ópticos planares ultrafinos han atraído mucha atención debido a sus potenciales aplicaciones en color estructural, imágenes holográficas, regulación de campos de luz y dispositivos optoelectrónicos. Cómo reducir el grosor de los resonadores planares es uno de los problemas difíciles a los que se 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 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. 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 crecimiento de nanofilms de aislante topológico de telururo de bismuto en grandes áreas. La cavidad óptica muestra características de absorción resonante evidentes en la banda del infrarrojo cercano. El telururo de bismuto posee un índice de refracción muy alto, superior a 6 en la banda de comunicación óptica (mayor que el índice de refracción 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 la vigésima parte de la longitud de onda de resonancia. Al mismo tiempo, el resonador óptico se deposita sobre un cristal fotónico unidimensional, y se observa un novedoso efecto de transparencia inducida electromagnéticamente en la banda de comunicación óptica, 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 está compuesto principalmente por un aislante topológico de telururo de bismuto y nanofilms de plata. Los nanofilms de telururo de bismuto, preparados mediante pulverización catódica con magnetrón, presentan una gran superficie y una buena planitud. Cuando el espesor de los films 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 1100~1800 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), se observó un valle de absorción distintivo (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 de electrones seleccionados de nanofilms de telururo de bismuto. Se observa en la figura que los nanofilms de telururo de bismuto preparados 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 con un elipsómetro y el índice de refracción complejo del estado superficial ajustado. 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, lo que indica características metálicas. El índice de refracción del material es superior a 6 cuando la longitud de onda supera los 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 preparación de resonadores ópticos ultrafinos. Los investigadores señalan que esta es la primera realización documentada de una cavidad óptica planar de 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 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 óptica ultradelgada permite una absorción de luz resonante eficiente en la banda del infrarrojo cercano y tiene un gran valor de aplicación en el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos en la banda de comunicación óptica. El espesor de la cavidad óptica de telururo de bismuto es lineal con respecto a la longitud de onda de resonancia y es 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 de un sistema atómico, lo que proporciona un nuevo método para la regulación del espectro de la microestructura. Este estudio contribuye significativamente a la investigación de materiales aislantes topológicos en la regulación de la luz y en dispositivos ópticos funcionales.