Οπτική ζώνη επικοινωνίας, εξαιρετικά λεπτός οπτικός συντονιστής

Οπτική ζώνη επικοινωνίας, εξαιρετικά λεπτός οπτικός συντονιστής
Οι οπτικοί συντονιστές μπορούν να εντοπίσουν συγκεκριμένα μήκη κύματος φωτεινών κυμάτων σε περιορισμένο χώρο και έχουν σημαντικές εφαρμογές στην αλληλεπίδραση φωτός-ύλης.οπτική επικοινωνία, οπτική ανίχνευση και οπτική ολοκλήρωση. Το μέγεθος του συντονιστή εξαρτάται κυρίως από τα χαρακτηριστικά του υλικού και το μήκος κύματος λειτουργίας, για παράδειγμα, οι συντονιστές πυριτίου που λειτουργούν στη ζώνη εγγύς υπέρυθρου συνήθως απαιτούν οπτικές δομές εκατοντάδων νανομέτρων και άνω. Τα τελευταία χρόνια, οι εξαιρετικά λεπτοί επίπεδοι οπτικοί συντονιστές έχουν προσελκύσει μεγάλη προσοχή λόγω των πιθανών εφαρμογών τους στο δομικό χρώμα, την ολογραφική απεικόνιση, τη ρύθμιση του φωτεινού πεδίου και τις οπτοηλεκτρονικές συσκευές. Ο τρόπος μείωσης του πάχους των επίπεδων συντονιστών είναι ένα από τα δύσκολα προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι ερευνητές.
Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά ημιαγωγικά υλικά, οι τρισδιάστατοι τοπολογικοί μονωτές (όπως το τελουρίδιο βισμούθιου, το τελουρίδιο αντιμονίου, το σεληνίδιο βισμούθιου κ.λπ.) είναι νέα πληροφοριακά υλικά με τοπολογικά προστατευμένες καταστάσεις μεταλλικής επιφάνειας και καταστάσεις μονωτή. Η κατάσταση της επιφάνειας προστατεύεται από τη συμμετρία της χρονικής αντιστροφής και τα ηλεκτρόνια της δεν σκεδάζονται από μη μαγνητικές ακαθαρσίες, κάτι που έχει σημαντικές προοπτικές εφαρμογής σε κβαντικούς υπολογιστές χαμηλής ισχύος και σπιντρονικές συσκευές. Ταυτόχρονα, τα τοπολογικά μονωτικά υλικά παρουσιάζουν επίσης εξαιρετικές οπτικές ιδιότητες, όπως υψηλό δείκτη διάθλασης, μεγάλο μη γραμμικό εύρος.οπτικόςσυντελεστής, ευρύ φάσμα φάσματος εργασίας, δυνατότητα συντονισμού, εύκολη ολοκλήρωση κ.λπ., η οποία παρέχει μια νέα πλατφόρμα για την πραγματοποίηση της ρύθμισης του φωτός καιοπτοηλεκτρονικές συσκευές.
Μια ερευνητική ομάδα στην Κίνα πρότεινε μια μέθοδο για την κατασκευή εξαιρετικά λεπτών οπτικών συντονιστών χρησιμοποιώντας νανοφίλμ τοπολογικού μονωτή τελλουριδίου βισμούθιου μεγάλης επιφάνειας. Η οπτική κοιλότητα παρουσιάζει εμφανή χαρακτηριστικά απορρόφησης συντονισμού στην εγγύς υπέρυθρη ζώνη. Το τελλουρίδιο βισμούθιου έχει πολύ υψηλό δείκτη διάθλασης μεγαλύτερο από 6 στην οπτική ζώνη επικοινωνίας (υψηλότερο από τον δείκτη διάθλασης των παραδοσιακών υλικών υψηλού δείκτη διάθλασης όπως το πυρίτιο και το γερμάνιο), έτσι ώστε το πάχος της οπτικής κοιλότητας να μπορεί να φτάσει το ένα εικοστό του μήκους κύματος συντονισμού. Ταυτόχρονα, ο οπτικός συντονιστής εναποτίθεται σε έναν μονοδιάστατο φωτονικό κρύσταλλο και παρατηρείται ένα νέο ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενο φαινόμενο διαφάνειας στην οπτική ζώνη επικοινωνίας, το οποίο οφείλεται στη σύζευξη του συντονιστή με το πλασμόνιο Tamm και την καταστροφική του παρεμβολή. Η φασματική απόκριση αυτού του φαινομένου εξαρτάται από το πάχος του οπτικού συντονιστή και είναι ανθεκτική στην αλλαγή του δείκτη διάθλασης περιβάλλοντος. Αυτή η εργασία ανοίγει έναν νέο δρόμο για την υλοποίηση εξαιρετικά λεπτών οπτικών κοιλοτήτων, ρύθμισης φάσματος τοπολογικού μονωτικού υλικού και οπτοηλεκτρονικών συσκευών.
Όπως φαίνεται στα ΣΧ. 1α και 1β, ο οπτικός συντονιστής αποτελείται κυρίως από έναν τοπολογικό μονωτή τελλουριδίου βισμούθιου και νανοϋμένια αργύρου. Τα νανοϋμένια τελλουριδίου βισμούθιου που παρασκευάζονται με ψεκασμό μαγνητρόνου έχουν μεγάλη επιφάνεια και καλή επιπεδότητα. Όταν το πάχος των μεμβρανών τελλουριδίου βισμούθιου και αργύρου είναι 42 nm και 30 nm, αντίστοιχα, η οπτική κοιλότητα παρουσιάζει ισχυρή απορρόφηση συντονισμού στη ζώνη των 1100~1800 nm (Σχήμα 1γ). Όταν οι ερευνητές ενσωμάτωσαν αυτήν την οπτική κοιλότητα σε έναν φωτονικό κρύσταλλο φτιαγμένο από εναλλασσόμενες στοίβες στρώσεων Ta2O5 (182 nm) και SiO2 (260 nm) (Σχήμα 1ε), εμφανίστηκε μια ξεχωριστή κοιλάδα απορρόφησης (Σχήμα 1στ) κοντά στην αρχική κορυφή απορρόφησης συντονισμού (~1550 nm), η οποία είναι παρόμοια με το ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενο φαινόμενο διαφάνειας που παράγεται από ατομικά συστήματα.

Το υλικό τελλουριδίου βισμούθιου χαρακτηρίστηκε με ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης και ελλειψομετρία. Τα ΣΧ. 2a-2c δείχνουν ηλεκτρονικές μικρογραφίες διέλευσης (εικόνες υψηλής ανάλυσης) και επιλεγμένα πρότυπα περίθλασης ηλεκτρονίων νανοϋμενίων τελλουριδίου βισμούθιου. Από το σχήμα φαίνεται ότι τα παρασκευασμένα νανοϋμενία τελλουριδίου βισμούθιου είναι πολυκρυσταλλικά υλικά και ο κύριος προσανατολισμός ανάπτυξης είναι το κρυσταλλικό επίπεδο (015). Τα Σχήματα 2d-2f δείχνουν τον σύνθετο δείκτη διάθλασης του τελλουριδίου βισμούθιου που μετρήθηκε με ελλειψόμετρο και την προσαρμοσμένη κατάσταση επιφάνειας και τον σύνθετο δείκτη διάθλασης κατάστασης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο συντελεστής απόσβεσης της κατάστασης επιφάνειας είναι μεγαλύτερος από τον δείκτη διάθλασης στην περιοχή 230~1930 nm, παρουσιάζοντας χαρακτηριστικά που μοιάζουν με μέταλλο. Ο δείκτης διάθλασης του σώματος είναι μεγαλύτερος από 6 όταν το μήκος κύματος είναι μεγαλύτερο από 1385 nm, το οποίο είναι πολύ υψηλότερο από αυτό του πυριτίου, του γερμανίου και άλλων παραδοσιακών υλικών υψηλού δείκτη διάθλασης σε αυτήν τη ζώνη, γεγονός που θέτει τα θεμέλια για την παρασκευή εξαιρετικά λεπτών οπτικών συντονιστών. Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι αυτή είναι η πρώτη αναφερόμενη υλοποίηση μιας επίπεδης οπτικής κοιλότητας τοπολογικού μονωτή με πάχος μόνο δεκάδων νανομέτρων στη ζώνη οπτικής επικοινωνίας. Στη συνέχεια, το φάσμα απορρόφησης και το μήκος κύματος συντονισμού της εξαιρετικά λεπτής οπτικής κοιλότητας μετρήθηκαν με το πάχος του τελλουριδίου του βισμούθιου. Τέλος, διερευνάται η επίδραση του πάχους της μεμβράνης αργύρου στα ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενα φάσματα διαφάνειας σε νανοκοιλότητες/φωτονικές κρυσταλλικές δομές τελλουριδίου βισμούθιου.

Με την παρασκευή επίπεδων λεπτών μεμβρανών μεγάλης επιφάνειας από τοπολογικούς μονωτές τελλουριδίου βισμούθιου και εκμεταλλευόμενοι τον εξαιρετικά υψηλό δείκτη διάθλασης των υλικών τελλουριδίου βισμούθιου στην εγγύς υπέρυθρη ζώνη, λαμβάνεται μια επίπεδη οπτική κοιλότητα με πάχος μόνο δεκάδων νανομέτρων. Η εξαιρετικά λεπτή οπτική κοιλότητα μπορεί να επιτύχει αποτελεσματική απορρόφηση συντονισμένου φωτός στην εγγύς υπέρυθρη ζώνη και έχει σημαντική εφαρμογή στην ανάπτυξη οπτοηλεκτρονικών συσκευών στην οπτική ζώνη επικοινωνίας. Το πάχος της οπτικής κοιλότητας τελλουριδίου βισμούθιου είναι γραμμικό προς το μήκος κύματος συντονισμού και είναι μικρότερο από αυτό παρόμοιων οπτικών κοιλοτήτων πυριτίου και γερμανίου. Ταυτόχρονα, η οπτική κοιλότητα τελλουριδίου βισμούθιου ενσωματώνεται με φωτονικό κρύσταλλο για να επιτευχθεί το ανώμαλο οπτικό αποτέλεσμα παρόμοιο με την ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενη διαφάνεια του ατομικού συστήματος, το οποίο παρέχει μια νέα μέθοδο για τη ρύθμιση του φάσματος της μικροδομής. Αυτή η μελέτη παίζει σημαντικό ρόλο στην προώθηση της έρευνας των τοπολογικών μονωτικών υλικών στη ρύθμιση του φωτός και στις οπτικές λειτουργικές συσκευές.