광통신 대역, 초박형 광공진기

광통신 대역, 초박형 광공진기
광학 공진기는 제한된 공간에서 특정 파장의 빛파를 국소화할 수 있으며 빛-물질 상호 작용에 중요한 응용 분야가 있습니다.광통신, 광 감지 및 광 집적. 공진기의 크기는 주로 재료 특성과 작동 파장에 따라 달라집니다. 예를 들어, 근적외선 대역에서 작동하는 실리콘 공진기는 일반적으로 수백 나노미터 이상의 광학 구조를 필요로 합니다. 최근 초박형 평면 광 공진기는 구조적 색상, 홀로그램 이미징, 광장 조절 및 광전자 소자 분야에서의 잠재적인 응용 분야로 인해 많은 주목을 받고 있습니다. 평면 공진기의 두께를 줄이는 방법은 연구자들이 직면한 어려운 문제 중 하나입니다.
기존 반도체 재료와 달리, 3D 위상 절연체(텔루르화 비스무트, 텔루르화 안티몬, 셀레나이드 비스무트 등)는 금속 표면 상태와 절연 상태가 위상적으로 보호되는 새로운 정보 소재입니다. 표면 상태는 시간 반전 대칭으로 보호되며, 전자는 비자성 불순물에 의해 산란되지 않아 저전력 양자 컴퓨팅 및 스핀트로닉스 소자에서 중요한 응용 가능성을 가지고 있습니다. 동시에, 위상 절연체 재료는 높은 굴절률, 큰 비선형 특성과 같은 우수한 광학적 특성을 보입니다.광학계수, 넓은 작동 스펙트럼 범위, 조정 가능성, 쉬운 통합 등을 통해 조명 조절 실현을 위한 새로운 플랫폼을 제공합니다.광전자 소자.
중국의 한 연구팀은 대면적 성장 비스무트 텔루라이드 위상 절연체 나노필름을 사용하여 초박형 광 공진기를 제작하는 방법을 제안했습니다. 이 광 공동은 근적외선 대역에서 뚜렷한 공진 흡수 특성을 보입니다. 비스무트 텔루라이드는 광통신 대역에서 6 이상의 매우 높은 굴절률을 가지므로(실리콘 및 게르마늄과 같은 기존의 고굴절률 재료의 굴절률보다 높음), 광 공동의 두께는 공진 파장의 20분의 1에 도달할 수 있습니다. 동시에, 광 공진기는 1차원 광결정에 증착되었으며, 공진기와 탐 플라스몬 및 그 상쇄 간섭의 결합으로 인해 광통신 대역에서 새로운 전자기 유도 투명 효과가 관찰되었습니다. 이 효과의 스펙트럼 응답은 광 공진기의 두께에 따라 달라지며 주변 굴절률의 변화에 ​​강합니다. 이 연구는 초박형 광 공동, 위상 절연체 물질 스펙트럼 조절 및 광전자 소자의 실현을 위한 새로운 길을 열어줍니다.
그림 1a 및 1b에 나타낸 바와 같이, 광 공진기는 주로 텔루르화비스무트 위상 절연체와 은 나노박막으로 구성됩니다. 마그네트론 스퍼터링으로 제조된 텔루르화비스무트 나노박막은 넓은 면적과 우수한 평탄도를 갖습니다. 텔루르화비스무트와 은 박막의 두께가 각각 42nm와 30nm일 때, 광 공동은 1100~1800nm ​​대역에서 강한 공진 흡수를 나타냅니다(그림 1c). 연구진이 이 광 공동을 Ta2O5(182nm)와 SiO2(260nm) 층이 교대로 적층된 광결정에 집적했을 때(그림 1e), 원래 공진 흡수 피크(~1550nm) 근처에 뚜렷한 흡수 밸리(그림 1f)가 나타났는데, 이는 원자 시스템에서 생성되는 전자기 유도 투명도 효과와 유사합니다.

텔루르화비스무트 물질은 투과전자현미경과 엘립소메트리로 특성 분석되었다. 그림 2a-2c는 텔루르화비스무트 나노필름의 투과전자현미경 사진(고해상도 이미지)과 선택된 전자 회절 패턴을 보여준다. 그림에서 알 수 있듯이, 제조된 텔루르화비스무트 나노필름은 다결정 물질이며, 주요 성장 방향은 (015) 결정면이다. 그림 2d-2f는 엘립소미터로 측정한 텔루르화비스무트의 복소 굴절률과 표면 상태 및 상태 복소 굴절률을 보여준다. 그 결과, 표면 상태의 소광 계수가 230~1930 nm 범위에서 굴절률보다 높아 금속과 유사한 특성을 보였다. 파장이 1385nm보다 길 때 본체의 굴절률은 6 이상으로, 이는 이 대역에서 실리콘, 게르마늄 및 기타 기존의 고굴절률 재료의 굴절률보다 훨씬 높아 초박형 광 공진기 제작의 기반을 마련합니다. 연구진은 이것이 광통신 대역에서 두께가 수십 나노미터에 불과한 위상 절연체 평면 광 공동의 최초 보고된 구현이라고 강조합니다. 이후, 텔루르화비스무트의 두께를 이용하여 초박형 광 공동의 흡수 스펙트럼과 공진 파장을 측정했습니다. 마지막으로, 텔루르화비스무트 나노공동/광자 결정 구조에서 전자기 유도 투명도 스펙트럼에 대한 은 박막 두께의 영향을 조사했습니다.

비스무트 텔루라이드 위상 절연체의 대면적 평탄 박막을 제조하고, 비스무트 텔루라이드 재료의 근적외선 대역에서 초고굴절률을 활용하여, 두께가 수십 나노미터에 불과한 평면 광 공동을 얻을 수 있습니다. 이 초박형 광 공동은 근적외선 대역에서 효율적인 공진 광 흡수를 실현할 수 있으며, 광통신 대역의 광전자 소자 개발에 중요한 응용 가치를 지닙니다. 비스무트 텔루라이드 광 공동의 두께는 공진 파장에 선형적이며, 유사한 실리콘 및 게르마늄 광 공동보다 얇습니다. 동시에, 비스무트 텔루라이드 광 공동은 광결정과 통합되어 원자 시스템의 전자기 유도 투명성과 유사한 변칙적 광학 효과를 달성하여 미세 구조의 스펙트럼 조절을 위한 새로운 방법을 제공합니다. 본 연구는 광 조절 및 광학 기능 소자에서 위상 절연체 재료 연구를 촉진하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.