光通信帯域、超薄型光共振器

光通信帯域、超薄型光共振器
光共振器は、限られた空間内で特定の波長の光波を局在化することができ、光と物質の相互作用において重要な用途がある。光通信、光センシング、光集積化といった分野で活用されています。共振器のサイズは主に材料特性と動作波長に依存します。例えば、近赤外域で動作するシリコン共振器では、通常、数百ナノメートル以上の光学構造が必要です。近年、超薄型平面光共振器は、構造色、ホログラフィックイメージング、光場制御、光電子デバイスなどへの応用の可能性から、大きな注目を集めています。平面共振器の厚みをどのように低減するかは、研究者が直面する困難な課題の一つです。
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持つ新しい情報材料です。表面状態は時間反転対称性によって保護され、電子は非磁性不純物によって散乱されないため、低消費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、高い屈折率、大きな非線形性など、優れた光学特性も示します。光学係数、広い動作スペクトル範囲、調整可能性、容易な統合などを備えており、光制御と光電子デバイス.
中国の研究チームは、大面積に成長するビスマステルル化物トポロジカル絶縁体ナノフィルムを用いて、超薄型光共振器を作製する方法を提案した。この光共振器は、近赤外帯域で明らかな共鳴吸収特性を示す。ビスマステルル化物は光通信帯域で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）を有するため、光共振器の厚さは共鳴波長の20分の1に達することができる。同時に、光共振器は1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相殺干渉により、光通信帯域で新しい電磁誘導透過効果が観測される。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ロバストである。この研究は、超薄型光共振器、トポロジカル絶縁体材料のスペクトル制御、光電子デバイスの実現に向けた新たな道を開くものです。
図1aと1bに示すように、この光共振器は主にビスマステルル化物トポロジカル絶縁体と銀ナノフィルムで構成されている。マグネトロンスパッタリング法で作製したビスマステルル化物ナノフィルムは、面積が大きく平坦性に優れている。ビスマステルル化物と銀の膜厚がそれぞれ42nmと30nmのとき、光共振器は1100～1800nmの帯域で強い共鳴吸収を示す（図1c）。研究者らがこの光共振器をTa2O5（182nm）とSiO2（260nm）層を交互に積層したフォトニック結晶上に集積すると（図1e）、元の共鳴吸収ピーク（約1550nm）付近に明瞭な吸収谷（図1f）が現れ、これは原子系によって生成される電磁誘導透過効果に類似している。

テルル化ビスマス材料の特性評価は、透過型電子顕微鏡法とエリプソメトリーによって行われた。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）と選択された電子回折パターンを示している。図から、作製され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分かる。図2d～2fは、エリプソメーターで測定したテルル化ビスマスの複素屈折率と、フィッティングした表面状態と状態複素屈折率を示している。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していることを示している。波長が1385 nmを超えると、本体の屈折率は6を超え、この帯域におけるシリコン、ゲルマニウムなどの従来の高屈折率材料の屈折率よりもはるかに高く、超薄型光共振器の作製の基礎を築くものである。研究者らは、これが光通信帯域において厚さ数十ナノメートルのトポロジカル絶縁体平面光共振器の実現の初めての報告であると指摘している。続いて、ビスマステルル化物の厚さに応じて、超薄型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、ビスマステルル化物ナノ共振器/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た。

ビスマステルル化物トポロジカル絶縁体の大面積平坦薄膜を作製し、ビスマステルル化物材料の近赤外帯域における超高屈折率を利用することで、厚さわずか数十ナノメートルの平面光共振器が得られる。この超薄型光共振器は、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。ビスマステルル化物光共振器の厚さは共鳴波長に対して線形であり、同様のシリコンやゲルマニウム光共振器の厚さよりも薄い。同時に、ビスマステルル化物光共振器をフォトニック結晶と統合することで、原子系の電磁誘導透過に類似した異常な光学効果を実現し、微細構造のスペクトル制御に新たな方法を提供する。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促進する上で一定の役割を果たす。