Filtro ressonador planar nanofotônico programável

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13225 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Dispositivos eletromagnéticos fotônicos plasmônicos reconfiguráveis ​​​​têm sido investigados incessantemente por sua grande capacidade de modular opticamente através de estímulos externos para atender às necessidades emergentes de hoje, com materiais de mudança de fase de calcogeneto sendo candidatos promissores devido às suas características elétricas e ópticas notavelmente únicas, permitindo novas perspectivas na tecnologia fotônica recente. formulários. Neste trabalho, propomos um ressonador reconfigurável utilizando camadas planares de filmes ultrafinos empilhados baseados em Metal-dielétrico-PCM, que projetamos e analisamos numericamente pelo Método dos Elementos Finitos (MEF). A estrutura é baseada em filmes finos de Ouro (Au), óxido de alumínio (Al2O3) e PCM (In3SbTe2) utilizados como substrato. A modulação entre as fases PCM (amorfa e cristalina) permite a alternância do filtro para a estrutura absorvedora no espectro infravermelho (IR) (1000–2500 nm), com eficiência superior a 70% em ambos os casos. A influência da espessura do material também é analisada para verificar tolerâncias a erros de fabricação e controlar dinamicamente a eficiência dos picos de transmitância e absortância. Os mecanismos físicos de acoplamento de campo e densidade de potência transmitida/absorvida são investigados. Também analisamos os efeitos nos ângulos de polarização para ondas polarizadas Transversal Elétrica (TE) e Transversal Magnética (TM) para ambos os casos.

O controle eficiente de ondas eletromagnéticas em regiões de terahertz (THz) com o uso de dispositivos fotônicos reconfiguráveis ​​já é uma realidade inestimável principalmente quando se trata de metassuperfícies1,2,3,4,5, metalenses6,7, plasmônicos8,9 e absorvedores de metamateriais10, 11. Neste contexto, os materiais de mudança de fase calcogenetos (PCM's) não voláteis apresentam grandes vantagens, devido à sua estabilidade térmica, garantia de não volatilidade nas mudanças drásticas existentes entre os estados amorfo e cristalino, ultra -comutação rápida entre fases (nanossegundos para femtossegundos) e seus valores de constantes ópticas em uma ampla faixa do espectro eletromagnético. Os PCMs oferecem inúmeras vantagens tecnológicas para a memória universal devido às suas altas velocidades de leitura/gravação, natureza não volátil, resistência estendida à leitura/gravação e alta escalabilidade. Um filme de PCM amorfo pode ser cristalizado por aquecimento acima da temperatura de cristalização (ou temperatura de transição vítrea), mas sem atingir a temperatura de fusão. Analogamente, um processo de reamorfização de PCM envolve derreter rapidamente e resfriar os PCMs de volta à sua fase amorfa. Num contexto prático, o estado de materiais com mudança de fase pode ser controlado através de temperatura, tensão elétrica, entre outros, possibilitando o controle dinâmico de seus índices de refração e, consequentemente, permissividade relativa16. Os elevados contrastes ópticos de materiais com mudança de fase podem ser percebidos no espectro infravermelho, onde são encontradas inúmeras aplicações práticas, como emissores térmicos17, camuflagem18,19, fotodetectores20, polarização21 são apenas alguns exemplos. Os PCMs de calcogeneto mais utilizados devido às suas ricas propriedades comutáveis ​​são aqueles baseados em Ge – Sb – Te (GST) . PCMs baseados em GST têm recebido grande atenção no campo de dispositivos fotônicos reconfiguráveis ​​e no desenvolvimento de tecnologia de memória de acesso aleatório. Suas características reconfiguráveis ​​e não volatilidade possibilitam manipular e controlar a luz em geometrias de subcomprimentos de onda25. Em pesquisas recentes, os compostos de Sb2S3 e Sb2Se3 foram classificados como materiais de mudança de fase considerando suas baixas perdas ópticas aplicáveis ​​no espectro visível26. Uma metassuperfície termicamente reconfigurável na região do infravermelho baseada na mudança de fase do GeTe em 27 e 28 foi desenvolvido um projeto de absorvedor no qual a mudança de fase do Ge – Te desloca os picos de ressonância ao variar parcialmente sua cristalização/amorfização. Um filtro Metal-Isolador-Metal (MIM) óptico e dinamicamente reconfigurável baseado em Ge2Sb2Se4Te1 que pode passar ou atenuar comprimentos de onda próximos ao IR foi desenvolvido e testado em 29. Em30 os autores demonstraram experimentalmente dois regimes de sintonia funcional impulsionados pela transição do VO2 como modulação de duas ordens de grandeza da transmissão da metassuperfície e ajuste espectral de absorção quase perfeita. Ambos os recursos são acompanhados por um comportamento semelhante ao da histerese que pode ser explorado para efeitos de memória versáteis. Chen et al.31 propuseram um absorvedor isotrópico de banda larga sintonizável baseado em VO2 na região de terahertz. Ajustando a geometria na incidência normal, foi possível atingir uma eficiência de absortividade superior a 90% entre 1,08 e 2,55 THz.