Программируемый нанофотонный планарный резонаторный фильтр

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 13225 (2023) Цитировать эту статью

446 Доступов

Подробности о метриках

Реконфигурируемые плазмонно-фотонные электромагнитные устройства постоянно исследовались на предмет их огромной способности оптически модулировать посредством внешних стимулов для удовлетворения растущих потребностей сегодняшнего дня, при этом халькогенидные материалы с фазовым переходом являются многообещающими кандидатами из-за их удивительно уникальных электрических и оптических свойств, открывающих новые перспективы в современной фотонике. Приложения. В этой работе мы предлагаем реконфигурируемый резонатор с использованием плоских слоев сложенных друг на друга ультратонких пленок на основе металл-диэлектрик-ПКМ, которые мы разработали и проанализировали численно с помощью метода конечных элементов (МКЭ). Структура основана на тонких пленках золота (Au), оксида алюминия (Al2O3) и ПКМ (In3SbTe2), используемых в качестве подложки. Модуляция между фазами ПКМ (аморфной и кристаллической) позволяет переходить от структуры фильтра к структуре поглотителя в инфракрасном (ИК) спектре (1000–2500 нм) с эффективностью более 70% в обоих случаях. Влияние толщины материала также анализируется для проверки допусков на производственные ошибки и динамического контроля эффективности пиков пропускания и поглощения. Исследованы физические механизмы взаимодействия полей и плотности передаваемой/поглощаемой мощности. Мы также проанализировали влияние на углы поляризации волн поперечной электрической (TE) и поперечной магнитной (TM) поляризации для обоих случаев.

Эффективный контроль электромагнитных волн в терагерцовом (ТГц) диапазоне с использованием реконфигурируемых фотонных устройств уже является бесценной реальностью, особенно когда речь идет о метаповерхностях1,2,3,4,5, металинзах6,7, плазмонике8,9 и поглотителях метаматериалов10. 11. В этом контексте нелетучие халькогенидные материалы с фазовым переходом (PCM)12,13,14,15 демонстрируют большие преимущества благодаря своей термической стабильности, гарантии нелетучести при резких изменениях, существующих между аморфным и кристаллическим состояниями, ультра -быстрое переключение между фазами (наносекунды для фемтосекунд) и значениями их оптических констант в широком диапазоне электромагнитного спектра. PCM предлагают многочисленные технологические преимущества для универсальной памяти благодаря своей высокой скорости чтения/записи, энергонезависимой природе, повышенной устойчивости к чтению/записи и высокой масштабируемости. Аморфную пленку ПКМ можно кристаллизовать при нагревании выше температуры кристаллизации (или температуры стеклования), но без достижения температуры плавления. Аналогично, процесс реморфизации ПКМ включает быстрое плавление и закалку ПКМ обратно в аморфную фазу. В практическом контексте состояние материалов с фазовым переходом можно контролировать, среди прочего, с помощью температуры и электрического напряжения, что позволяет динамически контролировать их показатели преломления и, следовательно, относительную диэлектрическую проницаемость16. Высокие оптические контрасты материалов с фазовым переходом можно ощутить в инфракрасном спектре, где находят многочисленные практические применения, такие как тепловые излучатели17, камуфляж18,19, фотодетекторы20, поляризация21 — это лишь некоторые примеры. Наиболее часто используемые халькогенидные ПКМ из-за их богатых переключаемых свойств — это ПКМ на основе Ge-Sb-Te (GST)22,23,24. PCM на основе GST привлекли большое внимание в области фотонных реконфигурируемых устройств и при разработке технологии оперативной памяти. Его реконфигурируемые характеристики и энергонезависимость позволяют манипулировать и контролировать свет в субволновой геометрии25. В недавних исследованиях соединения Sb2S3 и Sb2Se3 были классифицированы как материалы с фазовым переходом, учитывая их низкие оптические потери, применимые в видимом спектре26. Термически реконфигурируемая метаповерхность в инфракрасной области на основе фазового перехода GeTe. В27 и 28 была разработана конструкция поглотителя, в которой фазовый переход Ge-Te смещает резонансные пики при частичном изменении его кристаллизации/аморфизации. В работе29 был разработан и испытан оптический и динамически реконфигурируемый фильтр Металл-изолятор-металл (МИМ) на основе Ge2Sb2Se4Te1, который может пропускать или ослаблять ближние ИК-диапазоны. В работе30 авторы экспериментально продемонстрировали два режима функциональной настройки, обусловленные переходом VO2: модуляцию пропускания метаповерхности на два порядка и спектральную настройку почти идеального поглощения. Обе особенности сопровождаются поведением, подобным гистерезису, которое можно использовать для создания разнообразных эффектов памяти. Чен и др.31 предложили изотропный перестраиваемый широкополосный поглотитель на основе VO2 в терагерцовом диапазоне. Настраивая геометрию при нормальном падении, удалось достичь эффективности поглощения более 90% в диапазоне от 1,08 до 2,55 ТГц.