ऑप्टिकल संचार बैंड, अति-पतला ऑप्टिकल अनुनादक

ऑप्टिकल संचार बैंड, अति-पतला ऑप्टिकल अनुनादक
ऑप्टिकल रेजोनेटर सीमित स्थान में प्रकाश तरंगों की विशिष्ट तरंग दैर्ध्य को स्थानीयकृत कर सकते हैं, और प्रकाश-पदार्थ की परस्पर क्रिया में इनके महत्वपूर्ण अनुप्रयोग हैं।ऑप्टिकल संचारऑप्टिकल सेंसिंग और ऑप्टिकल इंटीग्रेशन में इनका महत्वपूर्ण योगदान है। रेज़ोनेटर का आकार मुख्य रूप से सामग्री की विशेषताओं और ऑपरेटिंग तरंगदैर्ध्य पर निर्भर करता है। उदाहरण के लिए, निकट अवरक्त बैंड में काम करने वाले सिलिकॉन रेज़ोनेटरों के लिए आमतौर पर सैकड़ों नैनोमीटर और उससे अधिक मोटाई की ऑप्टिकल संरचनाओं की आवश्यकता होती है। हाल के वर्षों में, अल्ट्रा-थिन प्लेनर ऑप्टिकल रेज़ोनेटरों ने संरचनात्मक रंग, होलोग्राफिक इमेजिंग, प्रकाश क्षेत्र विनियमन और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में अपनी संभावित उपयोगिताओं के कारण काफी ध्यान आकर्षित किया है। प्लेनर रेज़ोनेटरों की मोटाई को कम करना शोधकर्ताओं के सामने आने वाली एक कठिन समस्या है।
परंपरागत अर्धचालक पदार्थों से भिन्न, 3D टोपोलॉजिकल इंसुलेटर (जैसे बिस्मथ टेल्यूराइड, एंटीमनी टेल्यूराइड, बिस्मथ सेलेनाइड, आदि) टोपोलॉजिकली संरक्षित धातु सतह अवस्थाओं और इंसुलेटर अवस्थाओं वाले नए सूचना पदार्थ हैं। सतह अवस्था समय व्युत्क्रमण की समरूपता द्वारा संरक्षित होती है, और इसके इलेक्ट्रॉन गैर-चुंबकीय अशुद्धियों द्वारा प्रकीर्णित नहीं होते हैं, जिससे कम-शक्ति वाले क्वांटम कंप्यूटिंग और स्पिनट्रॉनिक उपकरणों में महत्वपूर्ण अनुप्रयोग संभावनाएं हैं। साथ ही, टोपोलॉजिकल इंसुलेटर पदार्थ उच्च अपवर्तक सूचकांक, बड़े गैर-रैखिक गुणों जैसे उत्कृष्ट प्रकाशीय गुण भी प्रदर्शित करते हैं।ऑप्टिकलगुणांक, व्यापक कार्यशील स्पेक्ट्रम रेंज, ट्यूनेबिलिटी, आसान एकीकरण आदि, जो प्रकाश विनियमन औरऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण.
चीन की एक शोध टीम ने बिस्मथ टेलुराइड टोपोलॉजिकल इंसुलेटर नैनोफिल्मों के बड़े क्षेत्रफल में विकास करके अति-पतले ऑप्टिकल रेज़ोनेटर बनाने की एक विधि प्रस्तावित की है। ऑप्टिकल कैविटी निकट अवरक्त बैंड में स्पष्ट अनुनाद अवशोषण विशेषताएँ दर्शाती है। बिस्मथ टेलुराइड का ऑप्टिकल संचार बैंड में अपवर्तनांक 6 से अधिक होता है (सिलिकॉन और जर्मेनियम जैसे पारंपरिक उच्च अपवर्तनांक वाले पदार्थों के अपवर्तनांक से अधिक), जिससे ऑप्टिकल कैविटी की मोटाई अनुनाद तरंगदैर्ध्य के बीसवें भाग तक पहुँच सकती है। साथ ही, ऑप्टिकल रेज़ोनेटर को एक आयामी फोटोनिक क्रिस्टल पर जमा किया जाता है, और ऑप्टिकल संचार बैंड में एक नया विद्युत चुम्बकीय रूप से प्रेरित पारदर्शिता प्रभाव देखा जाता है, जो रेज़ोनेटर के टैम प्लास्मोन के साथ युग्मन और उसके विनाशकारी व्यतिकरण के कारण होता है। इस प्रभाव की वर्णक्रमीय प्रतिक्रिया ऑप्टिकल रेज़ोनेटर की मोटाई पर निर्भर करती है और परिवेशी अपवर्तनांक में परिवर्तन के प्रति अप्रभावित रहती है। यह शोध कार्य अतिपतली ऑप्टिकल गुहा, टोपोलॉजिकल इन्सुलेटर सामग्री स्पेक्ट्रम विनियमन और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण के लिए एक नया मार्ग प्रशस्त करता है।
चित्र 1a और 1b में दर्शाए अनुसार, ऑप्टिकल रेज़ोनेटर मुख्य रूप से बिस्मथ टेलुराइड टोपोलॉजिकल इंसुलेटर और सिल्वर नैनोफिल्म से बना है। मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग द्वारा तैयार की गई बिस्मथ टेलुराइड नैनोफिल्म का क्षेत्रफल बड़ा और समतल होता है। जब बिस्मथ टेलुराइड और सिल्वर फिल्मों की मोटाई क्रमशः 42 nm और 30 nm होती है, तो ऑप्टिकल कैविटी 1100~1800 nm के बैंड में प्रबल अनुनाद अवशोषण प्रदर्शित करती है (चित्र 1c)। जब शोधकर्ताओं ने इस ऑप्टिकल कैविटी को Ta2O5 (182 nm) और SiO2 (260 nm) परतों के वैकल्पिक स्टैक से बने फोटोनिक क्रिस्टल पर एकीकृत किया (चित्र 1e), तो मूल अनुनाद अवशोषण शिखर (~1550 nm) 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 लक्षण वर्णन ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और एलिप्सोमेट्री द्वारा किया गया। चित्र 2a-2c में ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ (उच्च-रिज़ॉल्यूशन छवियां) और बिस्मथ टेल्यूराइड नैनोफिल्मों के चयनित इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न दिखाए गए हैं। चित्र से स्पष्ट है कि तैयार की गई बिस्मथ टेल्यूराइड नैनोफिल्में बहुक्रिस्टलीय पदार्थ हैं, और मुख्य वृद्धि अभिविन्यास (015) क्रिस्टल तल है। चित्र 2d-2f में एलिप्सोमीटर द्वारा मापा गया बिस्मथ टेल्यूराइड का जटिल अपवर्तनांक और फिट किए गए सतह अवस्था और अवस्था जटिल अपवर्तनांक को दर्शाया गया है। परिणाम दर्शाते हैं कि 230~1930 एनएम की सीमा में सतह अवस्था का विलुप्तिकरण गुणांक अपवर्तनांक से अधिक है, जो धातु जैसे गुण प्रदर्शित करता है। जब तरंगदैर्ध्य 1385 एनएम से अधिक होती है, तो पिंड का अपवर्तनांक 6 से अधिक होता है, जो इस बैंड में सिलिकॉन, जर्मेनियम और अन्य पारंपरिक उच्च-अपवर्तनांक पदार्थों की तुलना में कहीं अधिक है। यह अति-पतले ऑप्टिकल अनुनादकों के निर्माण के लिए आधार तैयार करता है। शोधकर्ताओं ने बताया कि ऑप्टिकल संचार बैंड में केवल कुछ दसियों नैनोमीटर की मोटाई वाली टोपोलॉजिकल इंसुलेटर प्लेनर ऑप्टिकल कैविटी का यह पहला सिद्ध उदाहरण है। इसके बाद, बिस्मथ टेलुराइड की मोटाई के साथ अति-पतली ऑप्टिकल कैविटी के अवशोषण स्पेक्ट्रम और अनुनाद तरंगदैर्ध्य को मापा गया। अंत में, बिस्मथ टेलुराइड नैनोकैविटी/फोटोनिक क्रिस्टल संरचनाओं में विद्युत चुम्बकीय रूप से प्रेरित पारदर्शिता स्पेक्ट्रम पर चांदी की फिल्म की मोटाई के प्रभाव का अध्ययन किया गया।

बिस्मथ टेल्यूराइड टोपोलॉजिकल इंसुलेटर की बड़े क्षेत्रफल वाली सपाट पतली फिल्मों को तैयार करके और निकट अवरक्त बैंड में बिस्मथ टेल्यूराइड सामग्री के अति-उच्च अपवर्तनांक का लाभ उठाकर, केवल कुछ नैनोमीटर मोटाई वाली एक समतल ऑप्टिकल कैविटी प्राप्त की गई है। यह अति-पतली ऑप्टिकल कैविटी निकट अवरक्त बैंड में कुशल अनुनादी प्रकाश अवशोषण कर सकती है और ऑप्टिकल संचार बैंड में ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के विकास में इसका महत्वपूर्ण अनुप्रयोग मूल्य है। बिस्मथ टेल्यूराइड ऑप्टिकल कैविटी की मोटाई अनुनादी तरंगदैर्ध्य के साथ रैखिक रूप से संबंधित है और समान सिलिकॉन और जर्मेनियम ऑप्टिकल कैविटी की तुलना में कम है। साथ ही, बिस्मथ टेल्यूराइड ऑप्टिकल कैविटी को फोटोनिक क्रिस्टल के साथ एकीकृत किया गया है ताकि परमाणु प्रणाली की विद्युत चुम्बकीय रूप से प्रेरित पारदर्शिता के समान असामान्य ऑप्टिकल प्रभाव प्राप्त किया जा सके, जो सूक्ष्म संरचना के स्पेक्ट्रम विनियमन के लिए एक नई विधि प्रदान करता है। यह अध्ययन प्रकाश विनियमन और ऑप्टिकल कार्यात्मक उपकरणों में टोपोलॉजिकल इंसुलेटर सामग्री के अनुसंधान को बढ़ावा देने में एक निश्चित भूमिका निभाता है।