Adv. Photon. | 光通信波段，超薄光学共振腔

Advanced Photonics 2024年第3期文章：

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光学共振腔可将特定波长的光波局域在限定的空间内，在光与物质相互作用、光通信、光传感、光集成等方面具有重要应用。共振腔的尺寸主要取决于材料特性与工作波长，例如：工作在近红外波段的硅共振腔通常需要百纳米级及以上的光学结构。近年来，超薄平面光学共振腔因在结构色、全息成像、光场调控及光电子器件等方面的应用潜力备受研究者关注。如何减小平面共振腔厚度尺寸是研究者面临的难点问题之一。

不同于传统半导体等材料，三维拓扑绝缘体（如：碲化铋、碲化锑、硒化铋等）是一种拥有受拓扑保护金属表面态和绝缘体体态的新兴信息材料。表面态受时间反演对称性保护，其电子不被非磁性杂质散射，在低功耗量子计算、自旋电子器件等方面具有重要应用前景。同时，拓扑绝缘体材料也展现出优异光学特性，例如：折射率高、非线性光学系数大、工作谱范围宽、可调谐、易集成等，为光调控、光电子器件的实现提供了新平台。

西北工业大学赵建林教授、陆华教授研究团队提出了一种利用大面积生长的碲化铋拓扑绝缘体纳米薄膜制备超薄光学共振腔的方法。该光学腔在近红外波段呈现出明显的共振吸收特性。碲化铋在光通信波段具有大于6的超高折射率（高于硅、锗等传统高折射率材料的折射率），使得光学腔厚度可达到共振波长的二十分之一。同时，将该光学共振腔沉积在一维光子晶体上，观测到了一种工作在光通讯波段的新颖类电磁诱导透明效应，其源于光学腔共振与塔姆等离激元的耦合及其相消干涉。该效应的光谱响应依赖于光学共振腔的厚度，对环境折射率变化具有良好的鲁棒性。这项工作为超薄光学腔、拓扑绝缘体材料光谱调控及光电子器件的实现开辟了新的途径。相关论文以“λ/20-Thick cavity for mimicking electromagnetically induced transparency at telecommunication wavelengths”为题发表在Advanced Photonics2024年第3期。

图1  拓扑绝缘体结构和吸收光谱

研究人员使用透射电子显微镜及椭偏仪对碲化铋材料进行了表征。图2a-2c展示了碲化铋纳米薄膜的透射电子显微图像（高分辨图像）及选区电子衍射图。由图可知，制备的碲化铋纳米薄膜为多晶材料，主要生长取向为（015）晶面。图2d-2f为利用椭偏仪测试的碲化铋材料复折射率及拟合的表面态、体态复折射率。结果表明：表面态的消光系数在230~1930 nm范围内大于折射率，呈现出类金属特性；体态的折射率在波长大于1385 nm时超过6，远高于硅、锗等传统高折射率材料在该波段的折射率，这为超薄光学共振腔的制备奠定了基础。研究人员指出，这是首次报道在光通信波段实现厚度仅有数十纳米的拓扑绝缘体平面光学腔。

图2  碲化铋材料表征和光学参数

随后，测量了超薄光学腔吸收光谱及共振波长随碲化铋厚度的变化情况。如图3a、3b所示，当碲化铋厚度从30 nm增加到52 nm时，共振吸收峰波长在近红外波段呈现线性红移，吸收峰值明显上升。由图3c可知，在共振波长处，磁场主要局域在纳米薄膜中，呈现明显的法布里-珀罗共振特性。碲化铋纳米腔/光子晶体结构的类电磁诱导透明光谱也依赖于碲化铋厚度，如图3d、3e所示。随着碲化铋厚度的减小，吸收光谱逐渐演化为法诺共振线型。模拟计算与实验结果一致。由图3f可知，在透明波长处，磁场主要局域在银/光子晶体之间，为典型的塔姆等离激元模式，其与上述光学腔共振发生耦合和相消干涉，导致了类电磁诱导透明效应的产生。

图3  纳米腔共振和类电磁诱导透明随碲化铋厚度的变化情况及场分布

最后，研究探究了碲化铋纳米腔/光子晶体结构中银薄膜厚度对类电磁诱导透明光谱的影响，如图4所示。计算结果表明：随着银厚度的减小，透明窗口将变得更宽更深。为验证该结果，研究人员制备了具有不同银厚度的碲化铋纳米腔/光子晶体结构，测量了其吸收光谱，测量结果与计算相符，当银厚度为15 nm时，透明波长处的吸收谷值可降至6%，这有效降低了该结构的光学损耗。

通过制备大面积、平坦的碲化铋拓扑绝缘体纳米薄膜，并利用碲化铋材料近红外波段的超高折射率特性，获得了厚度仅为数十纳米的平面光学腔。该超薄光学腔可在近红外波段实现高效的共振光吸收，对光通信波段光电子器件的开发具有重要应用价值。该碲化铋光学腔的厚度与共振波长呈线性关系，比类似的硅、锗光学腔的厚度更小。同时，将碲化铋光学腔与光子晶体相集成，实现了类似原子系统电磁诱导透明的反常光学效应，为微结构光谱调控提供了新方法。本研究为拓扑绝缘体材料在光调控、光功能器件等方面的研究起到一定推动作用。