Programmierbarer nanophotonischer planarer Resonatorfilter

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 13225 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Rekonfigurierbare plasmonisch-photonische elektromagnetische Geräte wurden kontinuierlich auf ihre große Fähigkeit zur optischen Modulation durch externe Reize untersucht, um den neu entstehenden Anforderungen von heute gerecht zu werden. Chalkogenid-Phasenwechselmaterialien sind aufgrund ihrer bemerkenswert einzigartigen elektrischen und optischen Eigenschaften vielversprechende Kandidaten und ermöglichen neue Perspektiven in der modernen Photonik Anwendungen. In dieser Arbeit schlagen wir einen rekonfigurierbaren Resonator vor, der planare Schichten aus gestapelten ultradünnen Filmen auf Basis von Metall-Dielektrikum-PCM verwendet, den wir entworfen und numerisch mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) analysiert haben. Die Struktur basiert auf dünnen Filmen aus Gold (Au), Aluminiumoxid (Al2O3) und PCM (In3SbTe2), die als Substrat verwendet werden. Die Modulation zwischen den PCM-Phasen (amorph und kristallin) ermöglicht den Wechsel von der Filter- zur Absorberstruktur im Infrarotspektrum (IR) (1000–2500 nm), mit einem Wirkungsgrad von über 70 % in beiden Fällen. Der Einfluss der Materialdicke wird ebenfalls analysiert, um Toleranzen für Herstellungsfehler zu überprüfen und die Effizienz von Transmissions- und Absorptionsspitzen dynamisch zu steuern. Die physikalischen Mechanismen der Feldkopplung und der übertragenen/absorbierten Leistungsdichte werden untersucht. Wir haben auch die Auswirkungen auf die Polarisationswinkel für transversal elektrisch (TE) und transversal magnetisch (TM) polarisierte Wellen für beide Fälle analysiert.

Die effiziente Kontrolle elektromagnetischer Wellen in Terahertz-Regionen (THz) mithilfe rekonfigurierbarer photonischer Geräte ist bereits eine unschätzbar wertvolle Realität, insbesondere wenn es um Metaoberflächen1,2,3,4,5, Metalenses6,7, plasmonische8,9 und Metamaterialabsorber10 geht. 11. In diesem Zusammenhang weisen nichtflüchtige Chalkogenid-Phasenwechselmaterialien (PCMs)12,13,14,15 aufgrund ihrer thermischen Stabilität, einer Garantie für Nichtflüchtigkeit bei den drastischen Änderungen, die zwischen dem amorphen und dem kristallinen Zustand bestehen, große Vorteile auf -Schnelles Umschalten zwischen Phasen (Nanosekunden für Femtosekunden) und ihren optischen Konstantenwerten über einen weiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. PCMs bieten aufgrund ihrer hohen Lese-/Schreibgeschwindigkeiten, ihrer nichtflüchtigen Natur, ihres erweiterten Lese-/Schreibwiderstands und ihrer hohen Skalierbarkeit zahlreiche technologische Vorteile für universelle Speicher. Ein amorpher PCM-Film kann durch Erhitzen über die Kristallisationstemperatur (oder Glasübergangstemperatur) kristallisiert werden, ohne jedoch die Schmelztemperatur zu erreichen. Analog beinhaltet ein PCM-Remorphisierungsprozess das schnelle Schmelzen und Abschrecken der PCMs zurück in ihre amorphe Phase. In einem praktischen Kontext kann der Zustand von Materialien mit Phasenwechsel unter anderem durch Temperatur und elektrische Spannung gesteuert werden, was die dynamische Steuerung ihrer Brechungsindizes und damit der relativen Permittivität ermöglicht16. Die hohen optischen Kontraste von Materialien mit Phasenwechsel sind im Infrarotspektrum wahrnehmbar, wo zahlreiche praktische Anwendungen zu finden sind, wie z. B. thermische Strahler17, Tarnung18,19, Fotodetektoren20, Polarisation21 sind nur einige Beispiele. Die aufgrund ihrer vielfältigen schaltbaren Eigenschaften am häufigsten verwendeten Chalkogenid-PCMs sind solche auf der Basis von Ge-Sb-Te (GST)22,23,24. GST-basierte PCMs haben im Bereich photonisch rekonfigurierbarer Geräte und für die Entwicklung der Direktzugriffsspeichertechnologie große Aufmerksamkeit erhalten. Seine rekonfigurierbaren Eigenschaften und seine Nichtflüchtigkeit ermöglichen die Manipulation und Steuerung von Licht in Subwellenlängengeometrien25. In neueren Forschungen wurden die Verbindungen Sb2S3 und Sb2Se3 aufgrund ihrer geringen optischen Verluste im sichtbaren Spektrum als Phasenwechselmaterialien klassifiziert26. Eine thermisch rekonfigurierbare Metaoberfläche im Infrarotbereich basierend auf der GeTe-Phasenänderung in27 und28 wurde ein Absorberdesign entwickelt, bei dem die Phasenänderung des Ge-Te die Resonanzspitzen verschiebt, wenn seine Kristallisation/Amorphisierung teilweise variiert wird. Ein optischer und dynamisch rekonfigurierbarer Metall-Isolator-Metall-Filter (MIM) auf der Basis von Ge2Sb2Se4Te1, der nahe IR-Wellenlängen durchlassen oder dämpfen kann, wurde 29 entwickelt und getestet. In30 demonstrierten die Autoren experimentell zwei funktionelle Abstimmungsregime, die durch den VO2-Übergang gesteuert werden, als Modulation der Metaoberflächentransmission um zwei Größenordnungen und spektrale Anpassung einer nahezu perfekten Absorption. Beide Merkmale gehen mit einem hystereseähnlichen Verhalten einher, das für vielseitige Memory-Effekte ausgenutzt werden kann. Chen et al.31 schlugen einen VO2-basierten isotropen abstimmbaren Breitbandabsorber im Terahertz-Bereich vor. Durch Abstimmung der Geometrie bei senkrechtem Einfall konnte zwischen 1,08 und 2,55 THz eine Absorptionseffizienz von mehr als 90 % erreicht werden.

Um es in einem multifunktionalen Ansatz zu charakterisieren, nutzen wir in unserer Studie den Phasenübergang von InSbTe (IST) in das Substrat und schlagen ein rekonfigurierbares Gerät vor, das durch die amorphen und kristallinen Phasen vor Ort moduliert wird und den optischen Charakter von Metallisch–Dielektrikum– modifiziert. Dielektrische (MDD) Struktur mit hoher Übertragungsleistung zu einem plasmonischen Metall-Dielektrikum-Metall (MDM)-Absorber im infraroten elektromagnetischen Spektrum. Die räumliche Verteilung normalisierter elektrischer und magnetischer Felder bei Transmissions-/Absorptionsspitzen wird ebenfalls untersucht. Im Vergleich zu anderen PCMs weist IST trotz seines geringen optischen Verlusts im amorphen Zustand nach dem Übergang in die kristalline Phase den realen Teil der Permittivität auf, der durch die Signaländerung gekennzeichnet ist, die den optischen Verlust und die Glasübergangstemperatur erhöht nahe 300 °C, während GST und GeTe bei etwa 160 °C konzentriert sind. Die meisten kristallinen PCMs haben resonante Bindungen (metavalent), IST, haben metallische Bindungen, ideal für ultradünne Absorber, optisches Schreiben und Resonanzkontrolle32. Im Vergleich zu GST haben IST eine höhere Glasübergangstemperatur Tg (291,8 °C für IST und 160 °C für GST), obwohl sie die gleichen Schmelztemperaturen für die Amorphisierung des Materials Tm = ~ 630 °C haben33. Die Phasenumschaltung des IST wird in der Größenordnung von 10 ns für die Amorphisierung und 500 ns für die Kristallisierung32 verstanden, während sie für die GST-Amorphisierung 200 µs und 200 ns für die Kristallisierung34 beträgt. Das IST ist ein kürzlich eingeführtes Phasenwechselmaterial und weist in seiner kristallinen Phase zusätzlich eine Signalverschiebung seiner Permittivität in einem breiten Infrarot-Spektralband auf, die diese Materialphase als Metall charakterisiert. Jüngste Untersuchungen wurden als optische Absorber und Resonatoren plasmonischer Antennen durchgeführt35,36,37 und können dank dieser Fähigkeit zu einem „plasmonischen PCM“ werden, das wie wir in zahlreichen Vorschlägen verwendet werden kann. Logischerweise verfügt der GST über einzigartige Phasenwechseleigenschaften, die zu erheblichen Fortschritten auf dem Gebiet der rekonfigurierbaren photonischen Geräte geführt haben, aber im IST gibt es Aussichten auf neue Geräte für die nächste Generation. Wir glauben, dass die hier gezeigten Ergebnisse für die Entwicklung programmierbarer optoelektronischer Geräte der nächsten Generation von Bedeutung sind.

Unser programmierbares und rekonfigurierbares Gerät basiert auf einer planaren Struktur von unendlicher Länge in drei Schichten, in der Aluminiumoxid (Al2O3) zwischen Schichten aus Gold (Au) und dem Phasenwechselmaterial In3SbTe2 eingebettet ist. Unter Berücksichtigung der optischen Reaktion bestand das Ziel dieser Arbeit darin, ein Material mit Phasenänderung als Substrat auszuwählen, dessen Funktion darin besteht, die einfallende Welle zu hemmen oder zu filtern. Das In3SbTe2-Phasenwechselmaterial weist einen hohen Kontrast in seiner relativen Permittivität bei der Kristallisation auf, zusätzlich zu den Unterschieden zwischen seinen optischen Verlusten als Vorteil für die Simulationen und den ausgewählten Materialien unseres Vorschlags. Da die optischen Eigenschaften von In3SbTe2 in unserer Arbeit durch Ref.32 gestützt werden, wie in Abb. 1 dargestellt.

Optische Konstanten von In3SbTe2 im Spektrum, simuliert in beiden Zuständen: (a) Amorpher IST; (b) Kristallines IST.

Unter Berücksichtigung der relativen Permittivität der Materialien38 ergibt sich Folgendes:

wobei \(\varepsilon ^{\prime}_{r} (\omega )\) und \(\varepsilon ^{\prime\prime}_{r} (\omega )\) der Real- und der Imaginärteil sind der Materialpermittivität. Aus dieser Gleichung und der Analyse der optischen Konstanten dieses Materials in Abb. 1a geht hervor, dass \(\varepsilon ^{\prime\prime}_{r} (\omega)\) der amorphen Phase von IST relativ niedrig ist und als a charakterisiert wird Halbleitermaterial und sogar als Isolator aufgrund eines \(\varepsilon ^{\prime}_{r} (\omega ) > > \varepsilon ^{\prime\prime}_{r} (\omega )\). In der kristallinen Phase von IST ist das Ergebnis von negativem \(\varepsilon ^{\prime}_{r} (\omega)\) mit positivem \(\varepsilon ^{\prime\prime}_{r} (\omega )\), resultiert aus einem Material mit negativer Permittivität, das als metallische Phase betrachtet wird und auch plasmonisch für Metall-Dielektrikum-Wechselwirkungen ist. Abbildung 2 zeigt das Schema der vorgeschlagenen planaren programmierbaren Struktur aus drei Schichten mit variabler Dicke tsubst, tAl2O3 bzw. tAu. Der metallische Dünnfilm aus Gold (Au) wird oben auf der Struktur eingefügt, gefolgt vom dielektrischen Material Al2O3 und dem Material mit Phasenwechsel IST als Substrat. Die Kristallisation des IST erfolgt durch lang anhaltende Laserpulse (ca. 0,5 ps) mit einer Leistung in der Größenordnung von 10 mW, die es über die Glasübergangstemperatur von ca. 291,8 °C erhitzen39. Die Amorphisierung wird erreicht, indem das Material mit Laserpulsen kurzer Dauer (ca. 10 ns) und hoher Leistung nahe 300 mW über die Schmelztemperatur (626 °C) erhitzt wird, um es mit Abkühlraten über 109 K/s schnell abzukühlen39.

Schematische Darstellung des vorgeschlagenen Modells. Das Substrat befindet sich im amorphen Zustand und fungiert als optischer Filter. Wenn es einen äußeren Reiz erhält, wechselt es in die kristalline Phase und wird zum Absorber.

Numerische Analysen und Simulationen wurden unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode im Frequenzbereich40 im infraroten elektromagnetischen Spektrumbereich (1000–2500 nm) unter Verwendung der lizenzierten COMSOL Multiphysics-Software41 durchgeführt. Die relative Permittivität von Gold,\(\varepsilon_{Au}\), basiert auf dem Drude-Lorentz-Modell42, und für das Aluminiumdioxid betrachten wir \(\varepsilon_{{Al_{2} O_{3} }}\) = 3,24 entlang des simulierten und analysierten Spektrums. Bezüglich der relativen Permeabilität der betrachteten Materialien handelt es sich bei allen um nichtmagnetische Medien. Die Rechenbereiche betragen 50 nm × 1331 nm in horizontaler und vertikaler Richtung. Der Eingangsanschluss befindet sich 1000 nm von der Oberseite der Au-Schicht entfernt. Vollständige Netze bestehen aus 1185 Domänenelementen und 244 Randelementen für 6152 Freiheitsgrade. Unter Berücksichtigung der Anfangsparameter der durchgeführten Simulationen sind tAu = 6 nm, tAl2O3 = 295 nm und tSubstrate = 30 nm. Die Randbedingungen werden von den Seiten der Struktur aus bestimmt und die elektromagnetische Welle breitet sich in z-Richtung bei normalem Einfall und auch schräg aus, um die TE- und TM-Moden zu analysieren.

Unter Berücksichtigung der einfallenden ebenen Welle, die an der Oberseite der vorgeschlagenen Struktur angeregt wird, und unter Berücksichtigung der periodisch definierten Randbedingungen und ihrer Ausbreitung entlang sowohl der x- als auch der y-Richtung ergibt sich ihre Lichtstreuungsgröße wie folgt:

wobei \(A(\lambda )\), \(R(\lambda )\) und \(T(\lambda )\) den absorbierten, reflektierten bzw. übertragenen Leistungsanteil darstellen. Insbesondere präsentieren wir hier die Transmissions- und Absorptionsspektren nach der IST-Phasenänderung, die in der vorgeschlagenen Struktur analysiert wurde.

Die Transmissions- und Absorptionsspektren sind in Abb. 3a und b dargestellt. Es ist ersichtlich, dass der hohe Kontrast zwischen den Phasen die Filterfunktionalität für einen Absorber umschaltet, d. h. im amorphen Zustand (a-IST) wird eine hohe Transmission beobachtet und im kristallinen Zustand (c-IST) tritt eine hohe Absorption auf . Die verwendeten Parameter waren tAu = 6 nm, tAl2O3 = 295 nm und tSubstrate = 30 nm. Die Ergebnisse zeigen einen Transmissionspeak von 72 % bei 1338 nm für a-IST und 0 % für c-IST. In ähnlicher Weise wurde für c-IST der Absorptionspeak von 74,8 % bei 1481 nm beobachtet, und dieser Wert ändert sich bei a-IST auf 16 %.

Das Spektrum von (a) Transmission und (b) Absorption der analysierten Struktur mit tAu = 6 nm, tAl2O3 = 295 nm und tSubstrat = 30 nm.

Wir haben auch die Effizienz der Struktur numerisch analysiert, wenn die Au-Dicke variiert wurde. Die numerischen Ergebnisse sind in Abb. 4 für die amorphe Phase (Filter) und in Abb. 5 für die kristalline Phase (Absorber) zu finden. Variationen wurden in Intervallen von \(\Delta t_{Au}\) = 2 nm verwendet, um den Resonanzpeak und die Streugröße für beide Fälle zu steuern.Abb. In 4a können wir sehen, dass die Durchlässigkeit proportional abnimmt, wenn die Dicke zunimmt. Wenn wir die Dicke verringern, nimmt die Durchlässigkeit jedoch aufgrund des relativ niedrigen Werts zu, der Bandbreite, definiert als die Bandfrequenzen der vollen Breite bei halbem Maximum (FWHM) wird größer.

(a) Abhängigkeit des Transmissionsspektrums von der Au-Dicke. (b) Polynomanpassungsabhängigkeit der Transmissionsspitzen von der Au-Dicke.

(a) Abhängigkeit des Absorptionsspektrums von der Au-Dicke. (b) Polynomanpassungsabhängigkeit der Transmissionspeaks von der Au-Dicke.

In Abb. 4b können wir den Einfluss von tAu auf die Resonanzspitzen und damit auf seine Effizienz als Filter hervorheben. Mithilfe empirischer Methoden der Polynomanpassung dritten Grades können wir die Effizienz als Filter anhand der Gleichung steuern:

wobei \(\lambda_{res - Filter}\) die Resonanzwellenlänge für den Filter ist, die zwischen 45 und 90 % variiert und tAu mit seiner Effizienz in Beziehung setzt, wie in Abb. 4b gezeigt, mit den unterschiedlichsten Anwendungen in O, E , S- und C-Band-Fenster für die optische Kommunikation43.

Analog zur numerischen Analyse, die für die Struktur eines amorphen Substrats (Filter) beim Übergang der Phase des IST in seinen kristallinen Zustand (Absorber) durchgeführt wurde, haben wir Abb. 5a, in der die Absorptionsspektren berechnet wurden. Die Effizienz der Absorberfunktion nimmt mit zunehmender Golddicke (tAu) zu, so dass sie mit abnehmender Golddicke und mit relativ kurzer FWHM im Vergleich zum Filter abnimmt. Das Design unseres vorgeschlagenen Modells war auch wichtig, um einen Absorptionsbereich von 42 bis 96 % (Abb. 5b) zu erreichen, der Resonanzspitzen mit tAu in Beziehung setzt und den wir auch mithilfe der folgenden Gleichung steuern können:

Dabei ist \(\lambda_{res - Absorber}\) die Resonanzwellenlänge für den Filter, die zwischen 42 und 96 % variiert und tAu mit seiner Effizienz in Beziehung setzt, wie in Abb. 5b dargestellt. Gold (Au) ist nicht nur ein häufig verwendetes Material in untersuchten und veröffentlichten Prototyp-Absorbern, sondern hat auch den großen Vorteil einer beträchtlichen Eindringtiefe und gewährleistet so eine multifunktionale Effizienz, egal ob Absorber oder optischer Filter.

Wir haben auch den Einfluss der Aluminiumoxiddicke tAl2O3 für den Filter und den Absorber analysiert und die Ergebnisse sind in Abb. 6a und b unter Verwendung eines \(\Delta t_{{Al_{2} O_{3} }}\) dargestellt. = 20 nm als Intervall zwischen der idealen Dicke des Modells. Die Dimension dieser Dicke ist relativ hoch und daher besteht eine hohe Empfindlichkeit, wenn wir ihre Dicke verringern. Wir können den Peak zu kürzeren Wellenlängen verschieben und das Gegenteil passiert, wenn wir ihn erhöhen. Sein Wirkungsgrad für beide Spektren liegt weiterhin über 70 %, was seine große Abstimmungsfähigkeit zeigt.

(a) Abhängigkeit des Transmissionsspektrums von der Al2O3-Dicke. (b) Abhängigkeit des Absorptionsspektrums von der Al2O3-Dicke.

Wir haben auch die Abhängigkeit der Polarisationswinkel von der Effizienz unseres vorgeschlagenen Modells analysiert. In Abb. 7a und b ist deutlich zu erkennen, dass die Struktur unabhängig vom Polarisationsmodus bis zu einem Winkel von 60° eine hohe Effizienz aufweist. Dies bedeutet, dass eine Änderung der Polarisation und des Einfallswinkels keinen Einfluss auf die Transmissionsspektren hat, was deren Winkelunempfindlichkeit zeigt. Zwischen 60° und 75° beginnt der Wirkungsgrad im TE-Modus zu sinken, während der TM-Modus hoch bleibt und bei Annäherung an 90° tendenziell abnimmt. Mehrschichtige plasmonische Filter mit hoher Winkelunempfindlichkeit wurden für die Entwicklung mehrerer praktischer Anwendungen untersucht.

Abhängigkeit der Durchlässigkeit von der Polarisation und den Einfallswinkeln für (a) TE-Modus bzw. (b) TM-Modus.

Bei der Analyse der Abhängigkeit der Polarisationswinkel vom Absorptionsspektrum (kristalline Phase) in Abb. 8a und b können wir überprüfen, dass für den TE-Modus die Effizienz entlang der Winkel moderat bleibt und ihre Intensität zwischen 60° und 75° zunimmt. Im TE-Modus und im TM-Modus kommt es bei kürzeren Wellenlängen zu einer Streuung und Verschiebung des Peaks. Diese Eigenschaft ist direkt auf die Geometrie des Modells und auch auf seinen multifunktionalen Aspekt beim Phasenwechsel zurückzuführen. Ebenso wie Filter sind Absorber mit großer Winkelunempfindlichkeit für Brechungsindexdetektoren unerlässlich.

Abhängigkeit des Absorptionsgrads von der Polarisation und den Einfallswinkeln für (a) TE-Modus und (b) TM-Modus.

Abbildung 9 zeigt den physikalischen Kopplungsmechanismus der hybriden multifunktionalen Resonanzstruktur als omnidirektionaler Bandpassfilter44. Die geometrischen Parameter sind erfüllt und die Gesamtphasenverschiebung in den Substrat/Dielektrikum-Grenzflächen des PCM (\(\varphi_{1}\) und \(\varphi_{2}\)) wird durch die Phasenverschiebung in der Richtung senkrecht zu aufgehoben die Grenzflächen im dielektrischen Bereich \(\varphi_{1} + \varphi_{2} + 2k_{0} \sqrt {\varepsilon_{{Al_{2} O_{3} }} } t_{{Al_{2} O_ {3} }} \cos \theta\)45. Die Verwendung eines PCM als Substrat ist aufgrund der Eigenschaften, die dieser spezielle Verbundstoff bietet, von Vorteil. Wenn dieselbe Bedingung erfüllt ist, ist die perfekte Bedingung der konstruktiven Interferenz zwischen der einfallenden Welle und der reflektierten/durchgelassenen Welle wie folgt gegeben:45:

Dabei ist \(k_{0}\), der Wellenvektor im freien Raum,\(\sqrt {\varepsilon_{{Al_{2} O_{3} }} }\) der Al2O3-Brechungsindex, tAl2O3 die Dicke von die Schicht, θ der Einfallswinkel und m = 0, ± 1, ± 2. Die amorphe Phase des Substrat-PCM weist eine positive Permittivität und einen geringen Verlust auf, da sie eine niedrige oder nahezu Null imaginäre Permittivität aufweist und der resonanten dielektrischen Schicht überlegen ist (\(\varepsilon_{a - IST} > \varepsilon_{{Al_{2} O_{3} }}\)). Beim Übergang in die kristalline Phase ändert der metallische Zustand des Substrats das Signal und wird aufgrund seiner beträchtlich hohen imaginären Permittivität, die für Metalle üblich ist (\(\varepsilon_{c - IST} < \varepsilon_{{Al_{ 2} O_{3} }}\)).

Physikalischer Kopplungsmechanismus des Strukturresonanzfilters/Absorbers, der eine Phasenkompensationsüberlappung beinhaltet. φ1 und φ2 sind die sich ausbreitende Phasenverschiebung an den beiden Substrat-Abstandshalter-Grenzflächen.

Um den physikalischen Kopplungsmechanismus der vorgeschlagenen Struktur mit dem Filter- und Resonanzabsorberformat zu beobachten, haben wir mithilfe der FEM das normalisierte elektrische Feld (E), das normalisierte Magnetfeld (H) und die normalisierte Stromdichteverteilung (J) berechnet. unter Berücksichtigung des normalen Einfalls und der Resonanzspitzen von λ = 1338 nm und λ = 1481 nm für den Filter (Abb. 10a – c) bzw. für den Absorber (Abb. 11a – c).

Filterräumliche Verteilung des (a) normalisierten elektrischen Feldes, (b) des normalisierten Magnetfelds und (c) der Stromdichte, normalisiert mit einer Wellenlänge von 1338 nm.

Räumliche Absorberverteilung des (a) normalisierten elektrischen Feldes, (b) des normalisierten Magnetfelds und (c) der Stromdichte, normalisiert mit einer Wellenlänge von 1481 nm.

In beiden Fällen ist es möglich, eine hohe Konzentration des elektrischen Feldes zwischen der dielektrischen Al2O3-Region und dem PCM-Substrat zu beobachten, die durch konstruktive Interferenz in dieser Region verursacht wird28. Das Ergebnis dieser Interferenz wird durch die Wahl der physikalischen und geometrischen Parameter verursacht, die sich aus einer hohen Transmission bei Verwendung eines amorphen PCM-Substrats (Abb. 10a) und einem hohen Absorptionsgrad bei Verwendung eines kristallinen PCM-Substrats (Abb. 11a) ergeben. Der Unterschied, der zwischen den beiden Fällen beobachtet werden kann, besteht darin, dass die Resonanzspitzen in unterschiedlichen Frequenzen liegen und aufgrund der Eigenschaften der Struktur eine etwas höhere Absorption aufweist.

Die Abbildungen 10b und 11b zeigen die räumliche Verteilung des normalisierten Magnetfelds H, wobei an der PCM/Al2O3-Grenzfläche sowohl für die amorphe als auch für die kristalline Phase des IST eine starke Intensität vorliegt. Die Anregung von Oberflächenplasmonpolaritonen erfolgt unabhängig von der Polarisation, wenn die metallische Phase des PCM aktiviert ist. Die normalisierte Stromdichteverteilung ist in den Abbildungen dargestellt. 10c und 11c, wo der starke elektrische Strom aufgrund seines metallischen Charakters und des großen Ohmschen Verlusts auf die obere Schicht der Struktur einwirkt.

Zusammenfassend demonstrieren wir eine programmierbare, abstimmbare, steuerbare und multifunktionale Struktur unter Verwendung eines dreischichtigen Resonators und eines PCM (In3SbTe2) als Substrat. Die numerisch analysierten Ergebnisse erreichen einen Wirkungsgrad für Anwendungen wie Filter oder Absorber mit dem physikalischen Mechanismus der Phasenänderung von mehr als 72 %. Wir zeigen numerisch, dass die Resonanzspitzen auf der Grundlage einer Gleichung je nach Dicke der tAu-Goldschicht angepasst werden können, was deren Effizienz erhöhen oder verringern kann und als Fehler im Herstellungsprozess angesehen werden kann. Wir können die Resonanzspitzen auch dynamisch steuern, indem wir die Dicke des dielektrischen tAl2O3-Abstandhalters anpassen. Die Abhängigkeit der Struktur vom Einfallswinkel wurde ebenfalls analysiert und es konnte festgestellt werden, dass die hohe Transmission/Absorption für schräge Winkel bis zu 90° erhalten blieb. Da sie auf einer einfachen Geometrie basiert, ermöglicht unsere Struktur eine einfache Herstellung mit kontinuierlicher Dünnschichtabscheidung. Diese Struktur kann für Schmalbandfilter/Absorber für optische Kommunikationssysteme und in potenziellen Anwendungen für verschiedene Technologien anwendbar sein, die in rekonfigurierbaren nanophotonischen Geräten, Fotodetektoren, Tarnung, Brechungsindexsensoren und Holographie eingesetzt werden.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem Artikel enthalten, und die während der aktuellen Studie verwendeten oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren danken CNPQ (Prozess: 309100/2018-6), FAPESP/MCTI/MC-Prozess: 2015/24517-8, CAPES, UFBA, ICTI-UFBA und FAPESB (079/2016).

Graduiertenschule für Elektrotechnik, Bundesuniversität Bahia, Salvador, 40155-250, Brasilien

Israel Alves Oliveira & VF Rodriguez-Links

Institut für Wissenschaft, Technologie und Innovation an der Bundesuniversität Bahia (ICTI-UFBA), Camaçari, 42802-721, Brasilien

IL Gomes de Souza

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Alle Autoren konzipierten und planten die Simulationen, schrieben und überarbeiteten das Manuskript, IAO führte die numerischen Simulationen durch und erstellte die Zahlen. Alle Autoren führten die physikalischen Verhaltensanalysen durch und analysierten die Daten, IAO, ILGS und VFRE überarbeiteten alle numerischen Simulationen. Alle Autoren gaben kritisches Feedback und halfen bei der Gestaltung der Recherche, Analyse und des Manuskripts.

Korrespondenz mit Israel Alves Oliveira, IL Gomes de Souza oder VF Rodriguez-Esquerre.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Oliveira, IA, de Souza, ILG & Rodriguez-Esquerre, VF Programmierbarer nanophotonischer planarer Resonator-Filter-Absorber basierend auf Phasenwechsel-InSbTe. Sci Rep 13, 13225 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40269-4

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Eingegangen: 12. März 2023

Angenommen: 08. August 2023

Veröffentlicht: 14. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40269-4

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