광통신 대역, 초박형 광공진기

광통신 대역, 초박형 광공진기
광학 공진기는 특정 파장의 빛을 제한된 공간에 집중시킬 수 있으며, 빛과 물질의 상호작용 분야에서 중요한 응용 가능성을 가지고 있습니다.광통신광학 센싱 및 광학 집적화와 같은 분야에서 공진기의 크기는 주로 재료 특성과 작동 파장에 따라 달라지는데, 예를 들어 근적외선 대역에서 작동하는 실리콘 공진기는 일반적으로 수백 나노미터 이상의 광학 구조를 필요로 합니다. 최근에는 초박형 평면 광학 공진기가 구조색, 홀로그래픽 이미징, 광장 조절 및 광전자 장치 분야에서의 잠재적 응용 가능성으로 인해 많은 주목을 받고 있습니다. 평면 공진기의 두께를 줄이는 것은 연구자들이 직면한 어려운 문제 중 하나입니다.
기존의 반도체 소재와는 달리, 3차원 위상 절연체(예: 비스무트 텔루라이드, 안티몬 텔루라이드, 비스무트 셀레나이드 등)는 위상적으로 보호된 금속 표면 상태와 절연체 상태를 갖는 새로운 정보 소재입니다. 표면 상태는 시간 반전의 대칭성에 의해 보호되며, 그 전자들은 비자성 불순물에 의해 산란되지 않아 저전력 양자 컴퓨팅 및 스핀트로닉스 소자 분야에서 중요한 응용 가능성을 지닙니다. 동시에, 위상 절연체 소재는 높은 굴절률, 큰 비선형성 등 우수한 광학적 특성을 나타냅니다.광학계수, 넓은 작동 스펙트럼 범위, 튜닝 가능성, 손쉬운 통합 등 여러 장점을 통해 광 제어 및 조절을 위한 새로운 플랫폼을 제공합니다.광전자 장치.
중국의 한 연구팀이 비스무트 텔루라이드 토폴로지 절연체 나노필름을 대면적으로 성장시켜 초박형 광 공진기를 제작하는 방법을 제안했습니다. 이 광 공진기는 근적외선 대역에서 뚜렷한 공명 흡수 특성을 나타냅니다. 비스무트 텔루라이드는 광통신 대역에서 6 이상의 매우 높은 굴절률을 가지고 있어(실리콘이나 게르마늄과 같은 기존의 고굴절률 물질보다 높음), 광 공진기의 두께를 공명 파장의 20분의 1까지 줄일 수 있습니다. 또한, 이 광 공진기는 1차원 광자 결정 위에 증착되었으며, 광통신 대역에서 새로운 전자기 유도 투명 효과가 관찰되었습니다. 이 효과는 공진기와 탐 플라즈몬의 결합 및 상쇄 간섭에 의한 것입니다. 이 효과의 스펙트럼 응답은 광 공진기의 두께에 따라 달라지며, 주변 굴절률 변화에 대해 안정적인 특성을 보입니다. 본 연구는 초박형 광학 공동, 위상 절연체 물질의 스펙트럼 조절 및 광전자 장치 구현을 위한 새로운 길을 열어줍니다.
그림 1a와 1b에서 볼 수 있듯이, 광 공진기는 주로 비스무트 텔루라이드 토폴로지 절연체와 은 나노필름으로 구성됩니다. 마그네트론 스퍼터링으로 제작된 비스무트 텔루라이드 나노필름은 넓은 면적과 우수한 평탄도를 갖습니다. 비스무트 텔루라이드와 은 필름의 두께가 각각 42nm와 30nm일 때, 광 공진기는 1100~1800nm ​​대역에서 강한 공명 흡수를 나타냅니다(그림 1c). 연구진이 이 광 공진기를 Ta2O5(182nm)와 SiO2(260nm) 층이 교대로 쌓인 광자 결정에 통합했을 때(그림 1e), 원래의 공명 흡수 피크(~1550nm) 근처에서 뚜렷한 흡수 골짜기(그림 1f)가 나타났는데, 이는 원자계에서 발생하는 전자기 유도 투명도 효과와 유사합니다.

비스무트 텔루라이드 물질은 투과 전자 현미경과 엘립소메트리를 이용하여 특성을 분석하였다. 그림 2a-2c는 비스무트 텔루라이드 나노필름의 투과 전자 현미경 사진(고해상도 이미지)과 선택된 전자 회절 패턴을 보여준다. 그림에서 볼 수 있듯이, 제조된 비스무트 텔루라이드 나노필름은 다결정 물질이며, 주된 성장 방향은 (015) 결정면이다. 그림 2d-2f는 엘립소메트리로 측정한 비스무트 텔루라이드의 복소 굴절률과 표면 상태 및 내부 상태의 복소 굴절률을 나타낸다. 결과는 230~1930 nm 범위에서 표면 상태의 소멸 계수가 굴절률보다 크다는 것을 보여주며, 이는 금속과 유사한 특성을 나타낸다. 파장이 1385nm보다 클 때 이 물질의 굴절률은 6을 초과하는데, 이는 해당 대역에서 실리콘, 게르마늄 및 기타 기존의 고굴절률 물질보다 훨씬 높은 값으로, 초박형 광 공진기 제작의 기반을 마련합니다. 연구진은 이것이 광통신 대역에서 수십 나노미터 두께의 위상 절연체 평면 광 공진기를 구현한 최초의 사례라고 지적합니다. 이어서, 비스무트 텔루라이드의 두께에 따른 초박형 광 공진기의 흡수 스펙트럼과 공진 파장을 측정했습니다. 마지막으로, 비스무트 텔루라이드 나노 공진기/광자 결정 구조에서 은막 두께가 전자기 유도 투명도 스펙트럼에 미치는 영향을 조사했습니다.

대면적의 평평한 박막 형태의 비스무트 텔루라이드 위상 절연체를 제조하고, 근적외선 대역에서 비스무트 텔루라이드 소재가 갖는 초고굴절률을 활용하여 두께가 수십 나노미터에 불과한 평면 광학 공진기를 구현했습니다. 이 초박형 광학 공진기는 근적외선 대역에서 효율적인 공명 광 흡수를 실현할 수 있으며, 광통신 대역의 광전자 소자 개발에 중요한 응용 가치를 지닙니다. 비스무트 텔루라이드 광학 공진기의 두께는 공명 파장에 비례하며, 유사한 실리콘 및 게르마늄 광학 공진기보다 얇습니다. 또한, 비스무트 텔루라이드 광학 공진기를 광자 결정과 결합하여 원자계의 전자기 유도 투명도와 유사한 이상 광학 효과를 구현함으로써 미세구조의 스펙트럼 조절을 위한 새로운 방법을 제시합니다. 본 연구는 광 조절 및 광 기능 소자 분야에서 위상 절연체 소재 연구를 촉진하는 데 기여할 것입니다.