光通信帯域、極薄光共振器

光通信帯域、極薄光共振器
光共振器は、限られた空間内で特定の波長の光波を局所化することができ、光と物質の相互作用において重要な応用が可能です。光通信、光学センシング、光学統合。共振器のサイズは主に材料の特性と動作波長に依存します。たとえば、近赤外帯域で動作するシリコン共振器には通常、数百ナノメートル以上の光学構造が必要です。近年、極薄平面光共振器は、構造色、ホログラフィックイメージング、ライトフィールド制御、および光電子デバイスにおける潜在的な応用のため、多くの注目を集めています。平面共振器の厚さをいかに薄くするかは、研究者が直面する難しい問題の 1 つです。
従来の半導体材料とは異なり、3D トポロジカル絶縁体 (テルル化ビスマス、テルル化アンチモン、セレン化ビスマスなど) は、トポロジカルに保護された金属表面状態と絶縁体状態を備えた新しい情報材料です。表面状態は時間反転の対称性によって保護されており、その電子は非磁性不純物によって散乱されないため、低電力量子コンピューティングやスピントロニクスデバイスへの重要な応用が期待されています。同時に、トポロジカル絶縁体材料は、高屈折率、大きな非線形性などの優れた光学特性も示します。光学的係数、広い動作スペクトル範囲、調整可能性、統合の容易さなどを備えており、光の調整と制御を実現するための新しいプラットフォームを提供します。光電子デバイス.
中国の研究チームは、大面積成長するテルル化ビスマストポロジカル絶縁体ナノフィルムを使用して超薄型光共振器を製造する方法を提案した。光共振器は、近赤外帯域で明らかな共鳴吸収特性を示します。テルル化ビスマスは、光通信帯域で 6 以上の非常に高い屈折率 (シリコンやゲルマニウムなどの従来の高屈折率材料の屈折率より高い) を持っているため、光キャビティの厚さは共振周波数の 20 分の 1 に達する可能性があります。波長。同時に、光共振器は一次元フォトニック結晶上に堆積され、共振器とタムプラズモンの結合およびその弱め合う干渉による、新しい電磁誘導透過効果が光通信帯域で観察されます。 。この効果のスペクトル応答は光共振器の厚さに依存し、周囲の屈折率の変化に対して堅牢です。この研究は、超薄型光キャビティ、トポロジカル絶縁体材料のスペクトル制御、および光電子デバイスの実現のための新しい道を切り開きます。
図１に示すように、図１ａおよび１ｂに示すように、光共振器は主にテルル化ビスマストポロジカル絶縁体と銀ナノフィルムで構成される。マグネトロンスパッタリング法で作製したテルル化ビスマスナノフィルムは面積が大きく、平坦性が良好である。テルル化ビスマス膜と銀膜の厚さがそれぞれ42 nmと30 nmの場合、光共振器は1100～1800 nmの帯域で強い共鳴吸収を示します（図1c）。研究者らがこの光共振器を、Ta2O5 (182 nm) 層と SiO2 (260 nm) 層の交互積層で作られたフォトニック結晶 (図 1e) に統合すると、元の共鳴吸収ピーク (~ 1550 nm)、これは原子系によって生じる電磁誘導透明効果に似ています。

テルル化ビスマス材料は、透過型電子顕微鏡法と偏光解析法によって特性評価されました。イチジク。図２ａ〜２ｃは、テルル化ビスマスナノフィルムの透過型電子顕微鏡写真（高解像度画像）および選択された電子回折パターンを示す。この図から、作製したテルル化ビスマスナノフィルムは多結晶材料であり、主な成長方向は(015)結晶面であることがわかります。図 2d ～ 2f は、エリプソメーターによって測定されたテルル化ビスマスの複素屈折率と、当てはめられた表面状態および状態複素屈折率を示しています。結果は、230~1930nmの範囲で表面状態の消衰係数が屈折率よりも大きく、金属のような特性を示すことを示しています。波長が 1385 nm を超える場合、本体の屈折率は 6 を超えます。これは、この帯域のシリコン、ゲルマニウム、その他の従来の高屈折率材料よりもはるかに高く、超高分子材料の準備の基礎となります。 -薄い光共振器。研究者らは、これが光通信帯域におけるわずか数十ナノメートルの厚さのトポロジカル絶縁体平面光共振器の最初に報告された実現であると指摘している。続いて、テルル化ビスマスの厚さを変化させて、極薄光共振器の吸収スペクトルと共振波長を測定した。最後に、テルル化ビスマスナノキャビティ/フォトニック結晶構造における電磁誘導透過スペクトルに対する銀膜厚の影響を調査します。

テルル化ビスマストポロジカル絶縁体の大面積平坦薄膜を作製し、近赤外帯域におけるテルル化ビスマス材料の超高屈折率を利用することにより、わずか数十ナノメートルの厚さの平面光共振器が得られます。超薄型光共振器は、近赤外帯域における効率的な共鳴光吸収を実現することができ、光通信帯域における光電子デバイスの開発において重要な応用価値を有する。テルル化ビスマス光キャビティの厚さは共振波長に対して線形であり、同様のシリコンおよびゲルマニウム光キャビティの厚さよりも薄い。同時に、テルル化ビスマス光共振器はフォトニック結晶と統合され、原子系の電磁誘導透明度と同様の異常な光学効果を達成し、微細構造のスペクトル制御のための新しい方法を提供します。本研究は、光制御や光機能デバイスにおけるトポロジカル絶縁体材料の研究を推進する上で一定の役割を果たしています。