ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશન બેન્ડ, અતિ-પાતળા ઓપ્ટિકલ રેઝોનેટર

ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશન બેન્ડ, અતિ-પાતળા ઓપ્ટિકલ રેઝોનેટર
ઓપ્ટિકલ રેઝોનેટર્સ મર્યાદિત જગ્યામાં પ્રકાશ તરંગોની ચોક્કસ તરંગલંબાઇનું સ્થાનીકરણ કરી શકે છે, અને પ્રકાશ-દ્રવ્યની ક્રિયાપ્રતિક્રિયામાં મહત્વપૂર્ણ ઉપયોગો ધરાવે છે,ઓપ્ટિકલ કમ્યુનિકેશન, ઓપ્ટિકલ સેન્સિંગ અને ઓપ્ટિકલ ઇન્ટિગ્રેશન. રેઝોનેટરનું કદ મુખ્યત્વે સામગ્રીની લાક્ષણિકતાઓ અને કાર્યકારી તરંગલંબાઇ પર આધાર રાખે છે, ઉદાહરણ તરીકે, નજીકના ઇન્ફ્રારેડ બેન્ડમાં કાર્યરત સિલિકોન રેઝોનેટરને સામાન્ય રીતે સેંકડો નેનોમીટર અને તેથી વધુના ઓપ્ટિકલ માળખાની જરૂર પડે છે. તાજેતરના વર્ષોમાં, અલ્ટ્રા-થિન પ્લેનર ઓપ્ટિકલ રેઝોનેટરે માળખાકીય રંગ, હોલોગ્રાફિક ઇમેજિંગ, પ્રકાશ ક્ષેત્ર નિયમન અને ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોમાં તેમના સંભવિત ઉપયોગોને કારણે ઘણું ધ્યાન ખેંચ્યું છે. પ્લેનર રેઝોનેટરની જાડાઈ કેવી રીતે ઘટાડવી તે સંશોધકો દ્વારા સામનો કરવામાં આવતી મુશ્કેલ સમસ્યાઓમાંની એક છે.
પરંપરાગત સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીથી અલગ, 3D ટોપોલોજીકલ ઇન્સ્યુલેટર (જેમ કે બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ, એન્ટિમોની ટેલ્યુરાઇડ, બિસ્મથ સેલેનાઇડ, વગેરે) ટોપોલોજીકલ રીતે સુરક્ષિત ધાતુની સપાટીની સ્થિતિ અને ઇન્સ્યુલેટર સ્થિતિઓ સાથે નવી માહિતી સામગ્રી છે. સપાટીની સ્થિતિ સમયના વ્યુત્ક્રમની સમપ્રમાણતા દ્વારા સુરક્ષિત છે, અને તેના ઇલેક્ટ્રોન બિન-ચુંબકીય અશુદ્ધિઓ દ્વારા વિખેરાયેલા નથી, જે ઓછી-શક્તિવાળા ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગ અને સ્પિન્ટ્રોનિક ઉપકરણોમાં મહત્વપૂર્ણ એપ્લિકેશન સંભાવનાઓ ધરાવે છે. તે જ સમયે, ટોપોલોજીકલ ઇન્સ્યુલેટર સામગ્રી ઉત્તમ ઓપ્ટિકલ ગુણધર્મો પણ દર્શાવે છે, જેમ કે ઉચ્ચ રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ, મોટા નોનલાઇનરઓપ્ટિકલગુણાંક, વિશાળ કાર્યકારી સ્પેક્ટ્રમ શ્રેણી, ટ્યુનેબિલિટી, સરળ એકીકરણ, વગેરે, જે પ્રકાશ નિયમનની અનુભૂતિ માટે એક નવું પ્લેટફોર્મ પૂરું પાડે છે અનેઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો.
ચીનમાં એક સંશોધન ટીમે મોટા વિસ્તારમાં ઉગાડતા બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ ટોપોલોજીકલ ઇન્સ્યુલેટર નેનોફિલ્મ્સનો ઉપયોગ કરીને અલ્ટ્રા-થિન ઓપ્ટિકલ રેઝોનેટર્સના ઉત્પાદન માટે એક પદ્ધતિ પ્રસ્તાવિત કરી છે. ઓપ્ટિકલ કેવિટી નજીકના ઇન્ફ્રારેડ બેન્ડમાં સ્પષ્ટ રેઝોનન્સ શોષણ લાક્ષણિકતાઓ દર્શાવે છે. બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડમાં ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશન બેન્ડમાં 6 થી વધુનો ખૂબ જ ઊંચો રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ છે (સિલિકોન અને જર્મેનિયમ જેવા પરંપરાગત ઉચ્ચ રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ સામગ્રીના રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ કરતા વધારે), જેથી ઓપ્ટિકલ કેવિટી જાડાઈ રેઝોનન્સ તરંગલંબાઇના એક વીસમા ભાગ સુધી પહોંચી શકે. તે જ સમયે, ઓપ્ટિકલ રેઝોનેટર એક-પરિમાણીય ફોટોનિક સ્ફટિક પર જમા થાય છે, અને ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશન બેન્ડમાં એક નવલકથા ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિકલી પ્રેરિત પારદર્શિતા અસર જોવા મળે છે, જે ટેમ પ્લાઝમોન સાથે રેઝોનેટરના જોડાણ અને તેના વિનાશક દખલને કારણે છે. આ અસરનો સ્પેક્ટ્રલ પ્રતિભાવ ઓપ્ટિકલ રેઝોનેટરની જાડાઈ પર આધાર રાખે છે અને એમ્બિયન્ટ રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સમાં ફેરફાર માટે મજબૂત છે. આ કાર્ય અલ્ટ્રાથિન ઓપ્ટિકલ કેવિટી, ટોપોલોજીકલ ઇન્સ્યુલેટર મટિરિયલ સ્પેક્ટ્રમ નિયમન અને ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોની અનુભૂતિ માટે એક નવો માર્ગ ખોલે છે.
આકૃતિ 1a અને 1b માં બતાવ્યા પ્રમાણે, ઓપ્ટિકલ રેઝોનેટર મુખ્યત્વે બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ ટોપોલોજીકલ ઇન્સ્યુલેટર અને સિલ્વર નેનોફિલ્મ્સથી બનેલું છે. મેગ્નેટ્રોન સ્પટરિંગ દ્વારા તૈયાર કરાયેલ બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ નેનોફિલ્મ્સમાં મોટો વિસ્તાર અને સારી સપાટતા હોય છે. જ્યારે બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ અને સિલ્વર ફિલ્મ્સની જાડાઈ અનુક્રમે 42 nm અને 30 nm હોય છે, ત્યારે ઓપ્ટિકલ પોલાણ 1100~1800 nm (આકૃતિ 1c) ના બેન્ડમાં મજબૂત રેઝોનન્સ શોષણ દર્શાવે છે. જ્યારે સંશોધકોએ આ ઓપ્ટિકલ પોલાણને Ta2O5 (182 nm) અને SiO2 (260 nm) સ્તરો (આકૃતિ 1e) ના વૈકલ્પિક સ્ટેક્સથી બનેલા ફોટોનિક સ્ફટિક પર એકીકૃત કર્યું, ત્યારે મૂળ રેઝોનન્ટ શોષણ શિખર (~1550 nm) ની નજીક એક અલગ શોષણ ખીણ (આકૃતિ 1f) દેખાઈ, જે અણુ પ્રણાલીઓ દ્વારા ઉત્પાદિત ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિકલી પ્રેરિત પારદર્શિતા અસર જેવું જ છે.

બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ સામગ્રીને ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી અને એલિપ્સોમેટ્રી દ્વારા વર્ગીકૃત કરવામાં આવી હતી. આકૃતિ 2a-2c ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોગ્રાફ્સ (ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન છબીઓ) અને બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ નેનોફિલ્મ્સના પસંદ કરેલા ઇલેક્ટ્રોન વિવર્તન પેટર્ન દર્શાવે છે. આકૃતિ પરથી જોઈ શકાય છે કે તૈયાર બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ નેનોફિલ્મ્સ પોલીક્રિસ્ટલાઇન સામગ્રી છે, અને મુખ્ય વૃદ્ધિ દિશા (015) સ્ફટિક સમતલ છે. આકૃતિ 2d-2f એલિપ્સોમીટર દ્વારા માપવામાં આવતા બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડના જટિલ રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ અને ફીટ કરેલી સપાટીની સ્થિતિ અને સ્થિતિ જટિલ રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ દર્શાવે છે. પરિણામો દર્શાવે છે કે સપાટીની સ્થિતિનો લુપ્તતા ગુણાંક 230~1930 nm ની રેન્જમાં રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ કરતા વધારે છે, જે ધાતુ જેવી લાક્ષણિકતાઓ દર્શાવે છે. જ્યારે 1385 nm કરતા વધારે તરંગલંબાઇ હોય ત્યારે શરીરનો રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ 6 કરતા વધારે હોય છે, જે આ બેન્ડમાં સિલિકોન, જર્મેનિયમ અને અન્ય પરંપરાગત ઉચ્ચ-રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ સામગ્રી કરતા ઘણો વધારે છે, જે અલ્ટ્રા-થિન ઓપ્ટિકલ રેઝોનેટર્સની તૈયારી માટે પાયો નાખે છે. સંશોધકો નિર્દેશ કરે છે કે ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશન બેન્ડમાં ફક્ત દસ નેનોમીટરની જાડાઈ સાથે ટોપોલોજીકલ ઇન્સ્યુલેટર પ્લેનર ઓપ્ટિકલ કેવિટીનું આ પ્રથમ અહેવાલ છે. ત્યારબાદ, અલ્ટ્રા-થિન ઓપ્ટિકલ કેવિટીના શોષણ સ્પેક્ટ્રમ અને રેઝોનન્સ તરંગલંબાઇને બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડની જાડાઈ સાથે માપવામાં આવ્યા હતા. અંતે, બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ નેનોકેવિટી/ફોટોનિક ક્રિસ્ટલ સ્ટ્રક્ચર્સમાં ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિકલી પ્રેરિત પારદર્શિતા સ્પેક્ટ્રા પર ચાંદીની ફિલ્મ જાડાઈની અસરની તપાસ કરવામાં આવે છે.

બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ ટોપોલોજીકલ ઇન્સ્યુલેટરની વિશાળ વિસ્તારની સપાટ પાતળી ફિલ્મો તૈયાર કરીને, અને નજીકના ઇન્ફ્રારેડ બેન્ડમાં બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ સામગ્રીના અતિ-ઉચ્ચ રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સનો લાભ લઈને, ફક્ત દસ નેનોમીટરની જાડાઈ સાથે પ્લેનર ઓપ્ટિકલ પોલાણ મેળવવામાં આવે છે. અતિ-પાતળી ઓપ્ટિકલ પોલાણ નજીકના ઇન્ફ્રારેડ બેન્ડમાં કાર્યક્ષમ રેઝોનન્ટ પ્રકાશ શોષણને પ્રાપ્ત કરી શકે છે, અને ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશન બેન્ડમાં ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોના વિકાસમાં મહત્વપૂર્ણ એપ્લિકેશન મૂલ્ય ધરાવે છે. બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ ઓપ્ટિકલ પોલાણની જાડાઈ રેઝોનન્ટ તરંગલંબાઇ માટે રેખીય છે, અને સમાન સિલિકોન અને જર્મેનિયમ ઓપ્ટિકલ પોલાણ કરતા નાની છે. તે જ સમયે, બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ ઓપ્ટિકલ પોલાણને ફોટોનિક ક્રિસ્ટલ સાથે સંકલિત કરવામાં આવે છે જેથી અણુ પ્રણાલીની ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિકલી પ્રેરિત પારદર્શિતા જેવી જ અસામાન્ય ઓપ્ટિકલ અસર પ્રાપ્ત થાય, જે માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરના સ્પેક્ટ્રમ નિયમન માટે એક નવી પદ્ધતિ પ્રદાન કરે છે. આ અભ્યાસ પ્રકાશ નિયમન અને ઓપ્ટિકલ કાર્યાત્મક ઉપકરણોમાં ટોપોલોજીકલ ઇન્સ્યુલેટર સામગ્રીના સંશોધનને પ્રોત્સાહન આપવામાં ચોક્કસ ભૂમિકા ભજવે છે.