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、光波の特定の波長を限られた空間に局在させることができ、光と物質の相互作用において重要な応用がある。光通信光センシングや光集積など。共振器のサイズは主に材料特性と動作波長に依存し、例えば近赤外帯で動作するシリコン共振器は通常、数百ナノメートル以上の光学構造を必要とする。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、光電子デバイスへの応用可能性から大きな注目を集めている。平面共振器の厚さをいかに低減するかは、研究者が直面する難題の一つである。
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において重要な応用が期待されます。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、容易な統合などにより、光制御と光電子デバイス.
中国の研究チームは、大面積成長させたテルル化ビスマス・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域で明瞭な共鳴吸収特性を示す。テルル化ビスマスは光通信帯域において6を超える非常に高い屈折率（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も高い）を持つため、光共振器の厚さは共鳴波長の20分の1にまで達する。同時に、光共振器を一次元フォトニック結晶上に堆積させると、光通信帯域において新たな電磁誘導透明化効果が観測される。これは、共振器とタムプラズモンの結合およびその破壊的干渉によるものである。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も安定している。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、および光電子デバイスの実現に向けた新たな道を開くものである。
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ています。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、平坦性も良好です。テルル化ビスマスと銀のフィルムの厚さがそれぞれ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）層を交互に積層したフォトニック結晶に統合すると（図1e）、元の共鳴吸収ピーク（～1550 nm）付近に明確な吸収谷が現れました（図1f）。これは、原子系によって生じる電磁誘導透明化効果に似ています。

ビスマス・テルル材料は、透過型電子顕微鏡とエリプソメトリーによって特性評価されました。図2a～2cは、ビスマス・テルルナノフィルムの透過型電子顕微鏡像（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ます。図から、作製されたビスマス・テルル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、エリプソメーターで測定されたビスマス・テルルの複素屈折率と、フィッティングされた表面状態および状態の複素屈折率を示しています。結果は、表面状態の消衰係数が230～1930 nmの範囲で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ます。波長が1385 nmを超えると、この物質の屈折率は6以上となり、この帯域におけるシリコン、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い値を示し、超薄型光共振器の作製に向けた基礎を築いた。研究者らは、これは光通信帯域において厚さがわずか数十ナノメートルのトポロジカル絶縁体平面光共振器が初めて実現された事例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えて、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、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銀膜の厚さが電磁誘導透過スペクトルに及ぼす影響を調査した。

ビスマス・テルルトポロジカル絶縁体の大面積平坦薄膜を作製し、近赤外域におけるビスマス・テルル材料の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た。この超薄型光共振器は、近赤外域において効率的な共鳴光吸収を実現し、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・テルル光共振器の厚さは共鳴波長に比例し、類似のシリコンおよびゲルマニウム光共振器よりも薄い。同時に、ビスマス・テルル光共振器をフォトニック結晶と集積することで、原子系の電磁誘導透明化に類似した異常光学効果を実現し、微細構造のスペクトル制御のための新たな手法を提供する。本研究は、光制御および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促進に一定の役割を果たす。