פס תקשורת אופטי, מהוד אופטי דק במיוחד

פס תקשורת אופטי, מהוד אופטי דק במיוחד
מהודים אופטיים יכולים למקם אורכי גל ספציפיים של גלי אור בחלל מוגבל, ויש להם יישומים חשובים באינטראקציה של אור-חומר,תקשורת אופטית, חישה אופטית ואינטגרציה אופטית. גודל המהוד תלוי בעיקר במאפייני החומר ובאורך הגל ההפעלה, למשל, תהודי סיליקון הפועלים בפס 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 אופטו-אלקטרוניים. כיצד להפחית את עובי התהודה המישורית היא אחת הבעיות הקשות שעומדות בפני החוקרים.
בשונה מחומרי מוליכים למחצה מסורתיים, מבודדים טופולוגיים תלת מימדיים (כגון ביסמוט טלוריד, אנטימון טלוריד, ביסמוט סלניד וכו') הם חומרי מידע חדשים עם מצבי משטח מתכת מוגנים טופולוגית ומצבי בידוד. מצב פני השטח מוגן על ידי סימטריה של היפוך זמן, והאלקטרונים שלו אינם מפוזרים על ידי זיהומים לא מגנטיים, שיש להם סיכויי יישום חשובים במחשוב קוונטי בהספק נמוך ובמכשירי ספינטרוניקה. יחד עם זאת, חומרים מבודדים טופולוגיים מראים גם תכונות אופטיות מצוינות, כגון מקדם שבירה גבוה, לא ליניארי גדולאוֹפּטִימקדם, מגוון ספקטרום עבודה רחב, כוונון, אינטגרציה קלה וכו', המספק פלטפורמה חדשה למימוש ויסות אור ומכשירים אופטו-אלקטרוניים.
צוות מחקר בסין הציע שיטה לייצור של מהודים אופטיים דקים במיוחד על ידי שימוש בננו-פילמים מבודדים טופולוגיים של ביסמוט טלורידי. החלל האופטי מציג מאפייני ספיגת תהודה ברורים בפס אינפרא אדום קרוב. לביסמוט טלורייד מקדם שבירה גבוה מאוד של יותר מ-6 ברצועת התקשורת האופטית (גבוה ממקדם השבירה של חומרים מסורתיים עם מקדם שבירה גבוה כמו סיליקון וגרמניום), כך שעובי החלל האופטי יכול להגיע לעשרים מהתהודה אֹרֶך גַל. במקביל, המהוד האופטי מופקד על גביש פוטוני חד-ממדי, ונצפה אפקט שקיפות חדש המושרה אלקטרומגנטית בפס התקשורת האופטית, הנובע מהצימוד של המהוד עם פלסמון תמם וההפרעות ההרסניות שלו. . התגובה הספקטרלית של אפקט זה תלויה בעובי המהוד האופטי והיא חזקה לשינוי של מקדם השבירה של הסביבה. עבודה זו פותחת דרך חדשה למימוש של חלל אופטי דק במיוחד, ויסות ספקטרום חומרים מבודד טופולוגי והתקנים אופטו-אלקטרוניים.
כפי שמוצג באיור. 1a ו-1b, המהוד האופטי מורכב בעיקר ממבודד טופולוגי ביסמוט טלורידי וננו-פילמי כסף. לננו-פילמים של ביסמוט טלורידי שהוכנו על ידי קיזור מגנטרון יש שטח גדול ושטיחות טובה. כאשר העובי של סרטי הביסמוט טלורידי וכסף הוא 42 ננומטר ו-30 ננומטר, בהתאמה, החלל האופטי מפגין ספיגת תהודה חזקה ברצועה של 1100 ~ 1800 ננומטר (איור 1c). כאשר החוקרים שילבו חלל אופטי זה על גבי גביש פוטוני העשוי מערימות מתחלפות של שכבות Ta2O5 (182 ננומטר) ו-SiO2 (260 ננומטר) (איור 1e), הופיע עמק ספיגה מובהק (איור 1f) ליד שיא הספיגה התהודה המקורי (~ 1550 ננומטר), הדומה לאפקט השקיפות המושרה אלקטרומגנטית המיוצר על ידי מערכות אטומיות.

חומר הביסמוט טלורידי התאפיין על ידי מיקרוסקופיה אלקטרונית הולכת ואליפסומטריה. תְאֵנָה. 2a-2c מציג מיקרוגרפי אלקטרונים שידור (תמונות ברזולוציה גבוהה) ודפוסי עקוף אלקטרונים נבחרים של ננו-פילמים של ביסמוט טלוריד. ניתן לראות מהאיור שהננו-פילמים המוכנים של ביסמוט טלורידי הם חומרים פולי-גבישיים, וכיוון הצמיחה העיקרי הוא מישור גביש (015). איור 2d-2f מציג את אינדקס השבירה המורכב של ביסמוט טלורייד שנמדד על ידי אליפסומטר ואת מצב פני השטח המותאם ומקדם השבירה המורכב. התוצאות מראות שמקדם ההכחדה של מצב פני השטח גדול ממקדם השבירה בטווח של 230~1930 ננומטר, מראה מאפיינים דמויי מתכת. מקדם השבירה של הגוף הוא יותר מ-6 כאשר אורך הגל גדול מ-1385 ננומטר, שהוא הרבה יותר גבוה מזה של סיליקון, גרמניום וחומרים מסורתיים אחרים עם מקדם שבירה גבוה ברצועה זו, מה שמציב בסיס להכנת אולטרה -מהודים אופטיים דקים. החוקרים מציינים כי זהו המימוש הראשון המדווח של חלל אופטי מישורי מבודד טופולוגי בעובי של עשרות ננומטרים בלבד ברצועת התקשורת האופטית. לאחר מכן, ספקטרום הספיגה ואורך גל התהודה של החלל האופטי הדק במיוחד נמדדו בעובי של ביסמוט טלוריד. לבסוף, נחקרת ההשפעה של עובי סרט הכסף על ספקטרום שקיפות המושרה אלקטרומגנטית במבני גביש פוטוניים של ביסמוט טלוריד.

על ידי הכנת סרטים דקים שטוחים בשטח גדול של מבודדים טופולוגיים של ביסמוט טלורייד, וניצול מקדם השבירה הגבוה במיוחד של חומרי ביסמוט טלורידי בפס קרוב לאינפרא אדום, מתקבל חלל אופטי מישורי בעובי של עשרות ננומטרים בלבד. החלל האופטי הדק במיוחד יכול לממש קליטת אור תהודה יעילה בפס האינפרא אדום הקרוב, ויש לו ערך יישום חשוב בפיתוח מכשירים אופטו-אלקטרוניים ברצועת התקשורת האופטית. עובי החלל האופטי ביסמוט טלורידי הוא ליניארי לאורך הגל התהודה, והוא קטן יותר מזה של חלל אופטי דומים של סיליקון וגרמניום. במקביל, חלל אופטי ביסמוט טלורידי משולב עם גביש פוטוני כדי להשיג את האפקט האופטי החריג בדומה לשקיפות הנגרמת אלקטרומגנטית של המערכת האטומית, המספקת שיטה חדשה לוויסות הספקטרום של מבנה המיקרו. מחקר זה ממלא תפקיד מסוים בקידום המחקר של חומרי בידוד טופולוגיים בוויסות אור והתקנים פונקציונליים אופטיים.