Filtro risonatore planare nanofotonico programmabile

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13225 (2023) Citare questo articolo

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I dispositivi elettromagnetici plasmonico-fotonici riconfigurabili sono stati incessantemente studiati per la loro grande capacità di modulare otticamente attraverso stimoli esterni per soddisfare le esigenze emergenti di oggi, con i materiali a cambiamento di fase calcogenuro che sono candidati promettenti grazie alle loro proprietà elettriche e ottiche straordinariamente uniche, consentendo nuove prospettive nella recente ricerca fotonica. applicazioni. In questo lavoro, proponiamo un risonatore riconfigurabile utilizzando strati planari di film ultrasottili impilati basati su metallo-dielettrico-PCM, che abbiamo progettato e analizzato numericamente mediante il metodo degli elementi finiti (FEM). La struttura è basata su film sottili di oro (Au), ossido di alluminio (Al2O3) e PCM (In3SbTe2) utilizzati come substrato. La modulazione tra le fasi PCM (amorfa e cristallina) consente l'alternanza dal filtro alla struttura assorbente nello spettro infrarosso (IR) (1000–2500 nm), con un'efficienza superiore al 70% in entrambi i casi. Viene inoltre analizzata l'influenza dello spessore del materiale per verificare le tolleranze per errori di fabbricazione e controllare dinamicamente l'efficienza dei picchi di trasmittanza e assorbimento. Vengono studiati i meccanismi fisici dell'accoppiamento di campo e della densità di potenza trasmessa/assorbita. Abbiamo anche analizzato gli effetti sugli angoli di polarizzazione per le onde polarizzate Trasversali Elettriche (TE) e Trasversali Magnetiche (TM) per entrambi i casi.

Il controllo efficiente delle onde elettromagnetiche nelle regioni dei terahertz (THz) con l'uso di dispositivi fotonici riconfigurabili è già una realtà inestimabile soprattutto quando si tratta di metasuperfici1,2,3,4,5, metalenses6,7, plasmonici8,9 e assorbitori di metamateriali10, 11. In questo contesto, i materiali calcogenuri a cambiamento di fase (PCM) non volatili12,13,14,15 presentano grandi vantaggi, dovuti alla loro stabilità termica, garanzia di non volatilità nei drastici cambiamenti esistenti tra lo stato amorfo e quello cristallino, ultra -passaggio veloce tra le fasi (nanosecondi per femtosecondi) e i loro valori di costanti ottiche su un'ampia gamma dello spettro elettromagnetico. I PCM offrono numerosi vantaggi tecnologici per la memoria universale grazie alle loro elevate velocità di lettura/scrittura, alla natura non volatile, alla resistenza di lettura/scrittura estesa e all'elevata scalabilità. Un film di PCM amorfo può essere cristallizzato riscaldando al di sopra della temperatura di cristallizzazione (o temperatura di transizione vetrosa), ma senza raggiungere la temperatura di fusione. Analogamente, un processo di riamorfizzazione dei PCM comporta la rapida fusione e il raffreddamento dei PCM nella loro fase amorfa. In un contesto pratico, lo stato dei materiali con cambiamento di fase può essere controllato attraverso la temperatura e la tensione elettrica, tra gli altri, consentendo il controllo dinamico dei loro indici di rifrazione e, di conseguenza, della permettività relativa16. Gli elevati contrasti ottici dei materiali con cambiamento di fase possono essere percepiti nello spettro infrarosso, dove si trovano numerose applicazioni pratiche, come emettitori termici17, mimetizzazione18,19, fotorivelatori20, polarizzazione21 sono solo alcuni esempi. I PCM calcogenuri più utilizzati grazie alle loro ricche proprietà commutabili sono quelli basati su Ge–Sb–Te (GST)22,23,24. I PCM basati su GST hanno ricevuto grande attenzione nel campo dei dispositivi riconfigurabili fotonici e per lo sviluppo della tecnologia di memoria ad accesso casuale. Le sue caratteristiche riconfigurabili e la non volatilità rendono possibile manipolare e controllare la luce in geometrie sub-lunghezza d'onda25. In recenti ricerche, i composti di Sb2S3 e Sb2Se3 sono stati classificati come materiali a cambiamento di fase considerando le loro basse perdite ottiche applicabili nello spettro visibile26. Una metasuperficie riconfigurabile termicamente nella regione dell'infrarosso basata sul cambiamento di fase GeTe in27 e28 è stato sviluppato un progetto di assorbitore in cui il cambiamento di fase del Ge-Te sposta i picchi di risonanza quando varia parzialmente la sua cristallizzazione/amorfizzazione. Un filtro metallo-isolante-metallo (MIM) ottico e riconfigurabile dinamicamente basato su Ge2Sb2Se4Te1 che può passare o attenuare le lunghezze d'onda IR vicine è stato sviluppato e testato nel29. In30 gli autori hanno dimostrato sperimentalmente due regimi di sintonizzazione funzionale guidati dalla transizione VO2 come modulazione di due ordini di grandezza della trasmissione metasuperficiale e regolazione spettrale di un assorbimento quasi perfetto. Entrambe le caratteristiche sono accompagnate da un comportamento simile all'isteresi che può essere sfruttato per versatili effetti di memoria. Chen et al.31 hanno proposto un assorbitore isotropo sintonizzabile a banda larga basato su VO2 nella regione dei terahertz. Regolando la geometria ad incidenza normale, è stato possibile ottenere un'efficienza di assorbimento superiore al 90% tra 1,08 e 2,55 THz.

> \varepsilon ^{\prime\prime}_{r} (\omega )\). In the crystalline phase of IST, the result of negative \(\varepsilon ^{\prime}_{r} (\omega )\) with positive \(\varepsilon ^{\prime\prime}_{r} (\omega )\), results from a material with negative permittivity considered a metallic phase as also plasmonic for metal-dielectric interactions. Figure 2 shows the scheme of the proposed planar programmable structure of three layers, with variable thickness tsubst, tAl2O3 and tAu, respectively. The metallic thin film of gold (Au) inserted on top of the structure, followed by the dielectric material Al2O3 and the material with phase change IST, as substrate. Crystallization of the IST occurs by long-lasting laser pulses (about 0.5 ps), with a power on the order of 10 mW, heating it above the glass transition temperature, about 291.8 °C39. The amorphization is obtained by heating the material with a short duration laser pulses (about 10 ns) and high power close to 300 mW, above the melting temperature (626 °C) to cool it quickly with cooling rates over 109 K/s39./p> \varepsilon_{{Al_{2} O_{3} }}\)). When switching to the crystalline phase, the metallic state of the substrate changes the signal and becomes a perfect absorber, due to its considerably high imaginary permittivity, common to metals (\(\varepsilon_{c - IST} < \varepsilon_{{Al_{2} O_{3} }}\))./p>