プログラマブルナノフォトニック平面共振器フィルター

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13225 (2023) この記事を引用

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再構成可能なプラズモニックフォトニック電磁デバイスは、今日の新たなニーズを満たすために外部刺激を通じて光学的に変調する優れた能力について絶えず研究されており、カルコゲニド相変化材料はその著しくユニークな電気的および光学的特性により有望な候補であり、最近のフォトニクス分野で新たな視点を可能にします。アプリケーション。この研究では、金属-誘電体-PCMに基づいて積層された超薄膜の平面層を使用した再構成可能な共振器を提案します。これを設計し、有限要素法（FEM）によって数値解析しました。この構造は、基板として使用される金 (Au)、酸化アルミニウム (Al2O3)、および PCM (In3SbTe2) の薄膜に基づいています。 PCM 相 (アモルファスと結晶) の間の変調により、赤外 (IR) スペクトル (1000 ～ 2500 nm) でフィルターから吸収体構造への変更が可能になり、どちらの場合も 70% を超える効率が得られます。材料の厚さの影響も分析されて、製造誤差の許容範囲が検証され、透過率と吸収率のピークの効率が動的に制御されます。磁界結合と送信/吸収電力密度の物理的メカニズムを調査します。また、両方の場合について、横電気 (TE) 偏波と横磁気 (TM) 偏波の偏波角への影響も分析しました。

再構成可能なフォトニックデバイスを使用したテラヘルツ（THz）領域の電磁波の効率的な制御は、特にメタ表面1、2、3、4、5、メタレンズ6、7、プラズモニック8、9、およびメタマテリアル吸収体10に関しては、すでに非常に貴重な現実となっています。 11. これに関連して、不揮発性カルコゲニド相変化材料 (PCM)12、13、14、15 は、その熱安定性、アモルファス状態と結晶状態の間に存在する急激な変化における不揮発性の保証により、大きな利点を示します。 -広範囲の電磁スペクトルにわたる位相(ナノ秒からフェムト秒)とその光学定数値の間の高速スイッチング。 PCM は、高い読み取り/書き込み速度、不揮発性、拡張された読み取り/書き込み耐性、および高い拡張性により、ユニバーサルメモリに多くの技術的利点をもたらします。アモルファス PCM フィルムは、結晶化温度 (またはガラス転移温度) を超えて加熱することによって結晶化できますが、溶融温度には達しません。同様に、PCM 再結晶化プロセスには、PCM を急速に融解し、急冷してアモルファス相に戻すことが含まれます。実際の状況では、相変化を伴う材料の状態は、特に温度や電圧によって制御でき、屈折率、ひいては比誘電率の動的制御が可能になります16。相変化を伴う材料の高い光学コントラストは赤外スペクトルで認識でき、熱エミッタ 17、迷彩 18、19、光検出器 20、偏光 21 など、数多くの実用的な用途が見出されます。切り替え可能な特性が豊富なため、最もよく使用されるカルコゲナイド PCM は、Ge-Sb-Te (GST) ベースのものです 22、23、24。 GST ベースの PCM は、フォトニック再構成可能デバイスの分野およびランダムアクセスメモリ技術の開発において大きな注目を集めています。その再構成可能な特性と不揮発性により、サブ波長の形状で光を操作および制御することが可能になります25。最近の研究では、Sb2S3 と Sb2Se3 の化合物は、可視スペクトルに適用できる光損失が低いことを考慮して、相変化材料として分類されました 26。吸収体設計における GeTe の相変化に基づく赤外領域の熱再構成可能なメタ表面が開発されました。このメタ表面では、Ge-Te の結晶化/アモルファス化が部分的に変化するときに、Ge-Te の相変化によって共鳴ピークがシフトします。近赤外波長を通過または減衰できる、Ge2Sb2Se4Te1 ベースの動的に再構成可能な光学的金属 - 絶縁体 - 金属 (MIM) フィルターが開発され、テストされました 29。 30 年に、著者らは、メタサーフェス透過の 2 桁の変調とほぼ完全な吸収のスペクトル調整として、VO2 遷移によって駆動される 2 つの機能的調整領域を実験的に実証しました。どちらの機能にもヒステリシスのような動作が伴い、これを利用してさまざまなメモリ効果を得ることができます。 Chen et al.31 は、テラヘルツ領域における VO2 ベースの等方性調整可能な広帯域吸収体を提案しました。法線入射で形状を調整すると、1.08 ～ 2.55 THz の間で 90% を超える吸収効率を達成することができました。

> \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>