Οπτική ζώνη επικοινωνίας, εξαιρετικά λεπτό οπτικό αντηχείο

Οπτική ζώνη επικοινωνίας, εξαιρετικά λεπτό οπτικό αντηχείο
Οι οπτικοί συντονιστές μπορούν να εντοπίζουν συγκεκριμένα μήκη κύματος κυμάτων φωτός σε περιορισμένο χώρο και έχουν σημαντικές εφαρμογές στην αλληλεπίδραση φωτός-ύλης,οπτική επικοινωνία, οπτική ανίχνευση και οπτική ολοκλήρωση. Το μέγεθος του αντηχείου εξαρτάται κυρίως από τα χαρακτηριστικά του υλικού και το μήκος κύματος λειτουργίας, για παράδειγμα, οι συντονιστές πυριτίου που λειτουργούν στην εγγύς υπέρυθρη ζώνη 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 σε δομικά χρώματα, ολογραφική απεικόνιση, ρύθμιση φωτεινού πεδίου και οπτοηλεκτρονικές συσκευές. Πώς να μειώσετε το πάχος των επίπεδων συντονιστών είναι ένα από τα δύσκολα προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι ερευνητές.
Διαφορετικά από τα παραδοσιακά υλικά ημιαγωγών, οι τρισδιάστατοι τοπολογικοί μονωτές (όπως το τελλουρίδιο του βισμούθιου, το τελλουρίδιο του αντιμονίου, το σεληνιούχο βισμούθιο κ.λπ.) είναι νέα πληροφοριακά υλικά με τοπολογικά προστατευμένες καταστάσεις μεταλλικής επιφάνειας και καταστάσεις μόνωσης. 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 υψηλός δείκτης διάθλασης, μεγάλες μη γραμμικέςοπτικόςσυντελεστής, μεγάλο εύρος φάσματος εργασίας, δυνατότητα συντονισμού, εύκολη ενσωμάτωση κ.λπ., που παρέχει μια νέα πλατφόρμα για την υλοποίηση της ρύθμισης φωτός καιοπτοηλεκτρονικές συσκευές.
Μια ερευνητική ομάδα στην Κίνα πρότεινε μια μέθοδο για την κατασκευή εξαιρετικά λεπτών οπτικών συντονιστών χρησιμοποιώντας νανοφίλμ τοπολογικών μονωτών βισμούθιου τελλουριδίου που αναπτύσσονται μεγάλης περιοχής. Η οπτική κοιλότητα εμφανίζει εμφανή χαρακτηριστικά απορρόφησης συντονισμού σε εγγύς υπέρυθρη ζώνη. Το τελλουρίδιο βισμούθου έχει πολύ υψηλό δείκτη διάθλασης άνω του 6 στην οπτική ζώνη επικοινωνίας (υψηλότερος από τον δείκτη διάθλασης των παραδοσιακών υλικών με υψηλό δείκτη διάθλασης όπως το πυρίτιο και το γερμάνιο), έτσι ώστε το πάχος της οπτικής κοιλότητας να μπορεί να φτάσει το ένα εικοστό του συντονισμού μήκος κύματος. Ταυτόχρονα, ο οπτικός συντονιστής εναποτίθεται σε ένα μονοδιάστατο φωτονικό κρύσταλλο και ένα νέο ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενο φαινόμενο διαφάνειας παρατηρείται 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 στη μεταβολή του δείκτη διάθλασης περιβάλλοντος. Αυτή η εργασία ανοίγει έναν νέο δρόμο για την υλοποίηση της εξαιρετικά λεπτής οπτικής κοιλότητας, της ρύθμισης του φάσματος του τοπολογικού μονωτικού υλικού και των οπτοηλεκτρονικών συσκευών.
Όπως φαίνεται στο ΣΧ. 1α και 1β, ο οπτικός συντονιστής αποτελείται κυρίως από έναν τοπολογικό μονωτή τελλουριδίου βισμούθιου και νανοφίλμ αργύρου. Τα νανοφίλμ τελλουριδίου του βισμούθιου που παρασκευάζονται με ψεκασμό με μαγνήτρον 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 (Εικόνα 1c). Όταν οι ερευνητές ενσωμάτωσαν αυτήν την οπτική κοιλότητα σε έναν φωτονικό κρύσταλλο κατασκευασμένο από εναλλασσόμενες στοίβες στρωμάτων Ta2O5 (182 nm) και SiO2 (260 nm) (Εικόνα 1e), μια ξεχωριστή κοιλάδα απορρόφησης (Εικόνα 1f) εμφανίστηκε κοντά στην αρχική κορυφή απορρόφησης συντονισμού (~ 1550 nm), το οποίο είναι παρόμοιο με το ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενο φαινόμενο διαφάνειας που παράγεται από τα ατομικά συστήματα.

Το υλικό τελλουριδίου του βισμούθιου χαρακτηρίστηκε με ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης και ελλειψομετρία. ΣΥΚΟ. Το 2a-2c δείχνει ηλεκτρονιακές μικρογραφίες μετάδοσης (εικόνες υψηλής ανάλυσης) και επιλεγμένα μοτίβα περίθλασης ηλεκτρονίων νανοφίλμς τελλουριδίου βισμούθιου. Μπορεί να φανεί από το σχήμα ότι τα παρασκευασμένα νανοφίλμ τελλουριδίου βισμούθιου είναι πολυκρυσταλλικά υλικά και ο κύριος προσανατολισμός ανάπτυξης είναι (015) κρυσταλλικό επίπεδο. Το Σχήμα 2d-2f δείχνει τον μιγαδικό δείκτη διάθλασης του τελλουριδίου του βισμούθιου που μετράται με ελλειψόμετρο και τον δείκτη διάθλασης της κατάστασης και του συμπλέγματος κατάστασης της προσαρμοσμένης επιφάνειας. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο συντελεστής απόσβεσης της κατάστασης επιφάνειας είναι μεγαλύτερος από τον δείκτη διάθλασης στην περιοχή των 230~1930 nm, δείχνοντας 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 με υψηλό δείκτη διάθλασης σε αυτή τη ζώνη, γεγονός που θέτει τα θεμέλια για την παρασκευή υπερ -λεπτοί οπτικοί συντονιστές. Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι αυτή είναι η πρώτη αναφερόμενη υλοποίηση μιας επίπεδης οπτικής κοιλότητας τοπολογικού μονωτή με πάχος μόνο δεκάδων νανόμετρων στην οπτική ζώνη 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 μεμβράνης αργύρου στα ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενα φάσματα διαφάνειας σε δομές νανοκοιλότητας τελλουριδίου βισμούθιου/φωτονικών κρυστάλλων

Με την προετοιμασία επίπεδων λεπτών μεμβρανών μεγάλης επιφάνειας τοπολογικών μονωτών τελλουριδίου βισμούθιου και εκμεταλλευόμενοι τον εξαιρετικά υψηλό δείκτη διάθλασης των υλικών τελλουριδίου του βισμούθιου σε εγγύς υπέρυθρη ζώνη, προκύπτει μια επίπεδη οπτική κοιλότητα με πάχος μόνο δεκάδων νανόμετρων. Η εξαιρετικά λεπτή οπτική κοιλότητα μπορεί να πραγματοποιήσει αποτελεσματική απορρόφηση συντονισμένου φωτός στην εγγύς υπέρυθρη ζώνη και έχει σημαντική εφαρμογή στην ανάπτυξη οπτοηλεκτρονικών συσκευών στη ζώνη οπτικής επικοινωνίας. Το πάχος της οπτικής κοιλότητας του τελλουριδίου του βισμούθιου είναι γραμμικό ως προς το μήκος κύματος συντονισμού και είναι μικρότερο από αυτό της παρόμοιας οπτικής κοιλότητας πυριτίου και γερμανίου. Ταυτόχρονα, η οπτική κοιλότητα τελλουριδίου του 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 έναν ορισμένο ρόλο στην προώθηση της έρευνας τοπολογικών μονωτικών υλικών σε ρύθμιση φωτός και οπτικές λειτουργικές συσκευές.