ऑप्टिकल संचार बैंड, अति-पतला ऑप्टिकल अनुनादक

ऑप्टिकल संचार बैंड, अति-पतला ऑप्टिकल अनुनादक
ऑप्टिकल अनुनादक सीमित स्थान में प्रकाश तरंगों की विशिष्ट तरंगदैर्ध्य का स्थानीयकरण कर सकते हैं, और प्रकाश-पदार्थ अंतःक्रिया में इनके महत्वपूर्ण अनुप्रयोग हैं।ऑप्टिकल संचार, प्रकाशीय संवेदन और प्रकाशीय एकीकरण। अनुनादक का आकार मुख्यतः पदार्थ की विशेषताओं और प्रचालन तरंगदैर्घ्य पर निर्भर करता है, उदाहरण के लिए, निकट अवरक्त बैंड में प्रचालन करने वाले सिलिकॉन अनुनादकों को आमतौर पर सैकड़ों नैनोमीटर और उससे अधिक की प्रकाशीय संरचनाओं की आवश्यकता होती है। हाल के वर्षों में, संरचनात्मक रंग, होलोग्राफिक इमेजिंग, प्रकाश क्षेत्र विनियमन और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में अपने संभावित अनुप्रयोगों के कारण अति-पतले समतलीय प्रकाशीय अनुनादकों ने काफ़ी ध्यान आकर्षित किया है। समतलीय अनुनादकों की मोटाई कैसे कम की जाए, यह शोधकर्ताओं के सामने आने वाली कठिन समस्याओं में से एक है।
पारंपरिक अर्धचालक पदार्थों से भिन्न, त्रि-आयामी टोपोलॉजिकल इंसुलेटर (जैसे बिस्मथ टेल्यूराइड, एंटीमनी टेल्यूराइड, बिस्मथ सेलेनाइड, आदि) टोपोलॉजिकल रूप से संरक्षित धातु सतह अवस्थाओं और इन्सुलेटर अवस्थाओं वाले नए सूचना पदार्थ हैं। सतह अवस्था समय व्युत्क्रम की सममिति द्वारा संरक्षित होती है, और इसके इलेक्ट्रॉन गैर-चुंबकीय अशुद्धियों द्वारा प्रकीर्णित नहीं होते हैं, जिसकी निम्न-शक्ति क्वांटम कंप्यूटिंग और स्पिनट्रॉनिक उपकरणों में महत्वपूर्ण अनुप्रयोग संभावनाएँ हैं। साथ ही, टोपोलॉजिकल इंसुलेटर पदार्थ उत्कृष्ट प्रकाशिक गुण भी प्रदर्शित करते हैं, जैसे उच्च अपवर्तनांक, बड़ी अरैखिकऑप्टिकलगुणांक, विस्तृत कार्यशील स्पेक्ट्रम रेंज, ट्यूनेबिलिटी, आसान एकीकरण, आदि, जो प्रकाश विनियमन की प्राप्ति के लिए एक नया मंच प्रदान करता है औरऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों.
चीन में एक शोध दल ने बड़े क्षेत्र में विकसित बिस्मथ टेल्यूराइड टोपोलॉजिकल इंसुलेटर नैनोफिल्म्स का उपयोग करके अति-पतले प्रकाशीय अनुनादकों के निर्माण की एक विधि प्रस्तावित की है। प्रकाशीय गुहा निकट अवरक्त बैंड में स्पष्ट अनुनाद अवशोषण विशेषताएँ प्रदर्शित करती है। बिस्मथ टेल्यूराइड का प्रकाशीय संचार बैंड में अपवर्तनांक 6 से अधिक (सिलिकॉन और जर्मेनियम जैसे पारंपरिक उच्च अपवर्तनांक पदार्थों के अपवर्तनांक से भी अधिक) बहुत अधिक है, जिससे प्रकाशीय गुहा की मोटाई अनुनाद तरंगदैर्ध्य के बीसवें भाग तक पहुँच सकती है। इसी समय, प्रकाशीय अनुनादक को एक-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल पर निक्षेपित किया जाता है, और प्रकाशीय संचार बैंड में एक नवीन विद्युतचुंबकीय रूप से प्रेरित पारदर्शिता प्रभाव देखा जाता है, जो टैम प्लाज़्मोन के साथ अनुनादक के युग्मन और उसके विध्वंसक व्यतिकरण के कारण होता है। इस प्रभाव की वर्णक्रमीय प्रतिक्रिया प्रकाशीय अनुनादक की मोटाई पर निर्भर करती है और परिवेशी अपवर्तनांक में परिवर्तन के प्रति प्रबल होती है। यह कार्य अल्ट्राथिन ऑप्टिकल कैविटी, टोपोलॉजिकल इंसुलेटर सामग्री स्पेक्ट्रम विनियमन और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की प्राप्ति के लिए एक नया रास्ता खोलता है।
जैसा कि चित्र 1a और 1b में दिखाया गया है, प्रकाशिक अनुनादक मुख्य रूप से एक बिस्मथ टेल्यूराइड टोपोलॉजिकल इन्सुलेटर और सिल्वर नैनोफिल्म्स से बना होता है। मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग द्वारा तैयार बिस्मथ टेल्यूराइड नैनोफिल्म्स का क्षेत्रफल बड़ा और समतलता अच्छी होती है। जब बिस्मथ टेल्यूराइड और सिल्वर फिल्म्स की मोटाई क्रमशः 42 नैनोमीटर और 30 नैनोमीटर होती है, तो प्रकाशिक गुहा 1100~1800 नैनोमीटर के बैंड में प्रबल अनुनाद अवशोषण प्रदर्शित करती है (चित्र 1c)। जब शोधकर्ताओं ने इस प्रकाशिक गुहा को Ta2O5 (182 नैनोमीटर) और SiO2 (260 नैनोमीटर) परतों (चित्र 1e) के एकांतर स्टैक से बने एक फोटोनिक क्रिस्टल पर एकीकृत किया, तो मूल अनुनाद अवशोषण शिखर (~1550 नैनोमीटर) के पास एक विशिष्ट अवशोषण घाटी (चित्र 1f) दिखाई दी, जो परमाणु प्रणालियों द्वारा उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय रूप से प्रेरित पारदर्शिता प्रभाव के समान है।

बिस्मथ टेल्यूराइड पदार्थ का अभिलक्षणन संचरण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी और दीर्घवृत्तमिति द्वारा किया गया। चित्र 2a-2c, बिस्मथ टेल्यूराइड नैनोफिल्मों के संचरण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मचित्र (उच्च-रिज़ॉल्यूशन चित्र) और चयनित इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न दर्शाते हैं। चित्र से देखा जा सकता है कि तैयार बिस्मथ टेल्यूराइड नैनोफिल्म बहुक्रिस्टलीय पदार्थ हैं, और मुख्य वृद्धि अभिविन्यास (015) क्रिस्टल तल है। चित्र 2d-2f, दीर्घवृत्तमापी द्वारा मापे गए बिस्मथ टेल्यूराइड के संकुल अपवर्तनांक और सज्जित पृष्ठ अवस्था एवं संकुल अपवर्तनांक को दर्शाते हैं। परिणाम दर्शाते हैं कि पृष्ठ अवस्था का विलोपन गुणांक 230~1930 नैनोमीटर की सीमा में अपवर्तनांक से अधिक है, जो धातु जैसी विशेषताएँ दर्शाता है। तरंगदैर्घ्य 1385 एनएम से अधिक होने पर पिंड का अपवर्तनांक 6 से अधिक होता है, जो इस बैंड में सिलिकॉन, जर्मेनियम और अन्य पारंपरिक उच्च-अपवर्तनांक वाली सामग्रियों की तुलना में बहुत अधिक है, जो अति-पतली प्रकाशीय अनुनादकों के निर्माण की नींव रखता है। शोधकर्ता बताते हैं कि यह प्रकाशीय संचार बैंड में केवल दसियों नैनोमीटर की मोटाई वाले टोपोलॉजिकल इन्सुलेटर प्लानर प्रकाशीय गुहा का पहला रिपोर्ट किया गया कार्यान्वयन है। इसके बाद, अति-पतली प्रकाशीय गुहा के अवशोषण स्पेक्ट्रम और अनुनाद तरंगदैर्ध्य को बिस्मथ टेल्यूराइड की मोटाई के साथ मापा गया। अंत में, बिस्मथ टेल्यूराइड नैनोकैविटी/फोटोनिक क्रिस्टल संरचनाओं में विद्युत चुम्बकीय रूप से प्रेरित पारदर्शिता स्पेक्ट्रम पर चांदी की फिल्म की मोटाई के प्रभाव की जांच की गई

बिस्मथ टेलुराइड टोपोलॉजिकल इंसुलेटर की बड़े क्षेत्र वाली सपाट पतली फिल्म तैयार करके और निकट अवरक्त बैंड में बिस्मथ टेलुराइड पदार्थों के अति-उच्च अपवर्तनांक का लाभ उठाकर, केवल दसियों नैनोमीटर मोटाई वाली एक समतल प्रकाशिक गुहा प्राप्त की गई है। यह अति-पतली प्रकाशिक गुहा निकट अवरक्त बैंड में कुशल अनुनाद प्रकाश अवशोषण प्राप्त कर सकती है, और प्रकाशिक संचार बैंड में ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के विकास में इसका महत्वपूर्ण अनुप्रयोग मूल्य है। बिस्मथ टेलुराइड प्रकाशिक गुहा की मोटाई अनुनाद तरंगदैर्ध्य के रैखिक होती है, और समान सिलिकॉन और जर्मेनियम प्रकाशिक गुहा की मोटाई से छोटी होती है। साथ ही, बिस्मथ टेलुराइड प्रकाशिक गुहा को फोटोनिक क्रिस्टल के साथ एकीकृत करके परमाणु प्रणाली की विद्युतचुंबकीय रूप से प्रेरित पारदर्शिता के समान असामान्य प्रकाशिक प्रभाव प्राप्त किया जाता है, जो सूक्ष्म संरचना के स्पेक्ट्रम नियमन के लिए एक नई विधि प्रदान करता है। यह अध्ययन प्रकाश नियमन और प्रकाशिक कार्यात्मक उपकरणों में टोपोलॉजिकल इंसुलेटर पदार्थों के अनुसंधान को बढ़ावा देने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।