פס תקשורת אופטי, מהוד אופטי דק במיוחד

פס תקשורת אופטי, מהוד אופטי דק במיוחד
רזונטורים אופטיים יכולים למקם אורכי גל ספציפיים של גלי אור במרחב מוגבל, ויש להם יישומים חשובים באינטראקציה בין אור לחומר,תקשורת אופטית, חישה אופטית ואינטגרציה אופטית. גודל המהוד תלוי בעיקר במאפייני החומר ובאורך הגל הפועל, לדוגמה, מהודים מסיליקון הפועלים בתחום האינפרא אדום הקרוב דורשים בדרך כלל מבנים אופטיים של מאות ננומטרים ומעלה. בשנים האחרונות, מהודים אופטיים מישוריים דקים במיוחד משכו תשומת לב רבה בשל היישומים הפוטנציאליים שלהם בצבע מבני, הדמיה הולוגרפית, ויסות שדה אור והתקנים אופטואלקטרוניים. כיצד להפחית את עובי המהודים המישוריים היא אחת הבעיות הקשות העומדות בפני חוקרים.
בניגוד לחומרים מסורתיים למחצה, מבודדים טופולוגיים תלת-ממדיים (כגון ביסמוט טלוריד, אנטימון טלוריד, ביסמוט סלניד וכו') הם חומרי מידע חדשים עם מצבי פני שטח ומצבי בידוד של המתכת המוגנים טופולוגית. מצב פני השטח מוגן על ידי סימטריה של היפוך זמן, והאלקטרונים שלו אינם מפוזרים על ידי זיהומים לא מגנטיים, דבר שיש לו פוטנציאל יישום חשוב במחשוב קוונטי בעל צריכת חשמל נמוכה ובמכשירים ספינטרוניים. במקביל, חומרי בידוד טופולוגיים מציגים גם תכונות אופטיות מצוינות, כגון מקדם שבירה גבוה, התנגדות לא ליניארית גדולה.אוֹפּטִימקדם, טווח ספקטרום עבודה רחב, כוונון, אינטגרציה קלה וכו', המספק פלטפורמה חדשה למימוש ויסות אור ומכשירים אופטואלקטרוניים.
צוות מחקר בסין הציע שיטה לייצור מהודים אופטיים דקים במיוחד באמצעות ננו-פילמים של בידוד טופולוגי עשוי ביסמוט טלוריד בעל שטח גדול. חלל האופטי מציג מאפייני ספיגת תהודה ברורים בתחום האינפרא אדום הקרוב. לביסמוט טלוריד יש מקדם שבירה גבוה מאוד של יותר מ-6 בתחום התקשורת האופטי (גבוה ממקדם השבירה של חומרים מסורתיים בעלי מקדם שבירה גבוה כמו סיליקון וגרמניום), כך שעובי חלל האופטי יכול להגיע לעשרים מאורך הגל של התהודה. במקביל, המהוד האופטי מושקע על גביש פוטוני חד-ממדי, ואפקט שקיפות חדש המושרה אלקטרומגנטית נצפה בתחום התקשורת האופטי, הנובע מצימוד המהוד עם פלסמון טאם וההתאבכות ההרסנית שלו. התגובה הספקטרלית של אפקט זה תלויה בעובי המהוד האופטי ועמידה בפני שינוי במקדם השבירה הסביבתי. עבודה זו פותחת דרך חדשה למימוש חלל אופטי דק במיוחד, ויסות ספקטרום של חומרי בידוד טופולוגי והתקנים אופטואלקטרוניים.
כפי שמוצג באיורים 1א' ו-1ב', המהוד האופטי מורכב בעיקר מבודד טופולוגי של ביסמוט טלוריד וננו-פילמים של כסף. לננו-פילמים של ביסמוט טלוריד שהוכנו על ידי התזה מגנטרונית יש שטח גדול ושטיחות טובה. כאשר עובי שכבות הביסמוט טלוריד והכסף הוא 42 ננומטר ו-30 ננומטר, בהתאמה, חלל האופטי מציג בליעת תהודה חזקה בטווח של 1100~1800 ננומטר (איור 1ג'). כאשר החוקרים שילבו חלל אופטי זה על גבי גביש פוטוני העשוי מערימות מתחלפות של שכבות Ta2O5 (182 ננומטר) ו-SiO2 (260 ננומטר) (איור 1ה'), עמק בליעה ברור (איור 1ו') הופיע ליד שיא בליעת התהודה המקורי (~1550 ננומטר), הדומה לאפקט השקיפות המושרה אלקטרומגנטית המיוצר על ידי מערכות אטומיות.

חומר הביסמוט טלוריד אופיין באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים חודר ואליפסומטריה. איור 2a-2c מציג מיקרוסקופ אלקטרונים חודר (תמונות ברזולוציה גבוהה) ודפוסי דיפרקציית אלקטרונים נבחרים של ננו-פילם של ביסמוט טלוריד. ניתן לראות מהאיור כי ננו-פילם של ביסמוט טלוריד שהוכן הם חומרים פוליקריסטליים, וכיוון הצמיחה העיקרי הוא מישור גביש (015). איור 2d-2f מציג את מקדם השבירה המורכב של ביסמוט טלוריד שנמדד על ידי אליפסומטר ואת מצב פני השטח המותאם ואת מקדם השבירה המורכב של המצב. התוצאות מראות כי מקדם ההכחדה של מצב פני השטח גדול ממקדם השבירה בטווח של 230~1930 ננומטר, דבר המציג מאפיינים דמויי מתכת. מקדם השבירה של הגוף גדול מ-6 כאשר אורך הגל גדול מ-1385 ננומטר, שהוא גבוה בהרבה מזה של סיליקון, גרמניום וחומרים מסורתיים אחרים בעלי מקדם שבירה גבוה בפס זה, מה שמניח את היסודות להכנת מהודים אופטיים דקים במיוחד. החוקרים מציינים כי זהו המימוש המדווח הראשון של חלל אופטי מישורי מבודד טופולוגי בעובי של עשרות ננומטרים בלבד בתחום התקשורת האופטי. לאחר מכן, נמדדו ספקטרום הקליטה ואורך הגל של התהודה של החלל האופטי הדק במיוחד עם עובי ביסמוט טלוריד. לבסוף, נחקרה השפעת עובי שכבת הכסף על ספקטרום שקיפות המושרה אלקטרומגנטית במבני ננו-חלל/גביש פוטוניים של ביסמוט טלוריד.

על ידי הכנת שכבות דקות שטוחות בעלות שטח גדול של מבודדים טופולוגיים מביסמוט טלוריד, וניצול מקדם השבירה הגבוה במיוחד של חומרי ביסמוט טלוריד בתחום האינפרא אדום הקרוב, מתקבל חלל אופטי מישורי בעובי של עשרות ננומטרים בלבד. חלל האופטי הדק במיוחד יכול להשיג ספיגת אור תהודה יעילה בתחום האינפרא אדום הקרוב, ויש לו ערך יישומי חשוב בפיתוח התקנים אופטואלקטרוניים בתחום התקשורת האופטית. עובי חלל האופטי של ביסמוט טלוריד הוא ליניארי לאורך הגל התהודה, והוא קטן יותר מזה של חלל אופטי דומה של סיליקון וגרמניום. במקביל, חלל האופטי של ביסמוט טלוריד משולב עם גביש פוטוני כדי להשיג את האפקט האופטי האנומלי הדומה לשקיפות המושרה אלקטרומגנטית של מערכת אטומית, המספקת שיטה חדשה לוויסות הספקטרום של המיקרו-מבנה. מחקר זה ממלא תפקיד מסוים בקידום המחקר של חומרי מבודדים טופולוגיים בוויסות אור והתקנים פונקציונליים אופטיים.