Filtre résonateur plan nanophotonique programmable

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13225 (2023) Citer cet article

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Les dispositifs électromagnétiques plasmoniques-photoniques reconfigurables ont été sans cesse étudiés pour leur grande capacité à moduler optiquement via des stimuli externes afin de répondre aux besoins émergents d'aujourd'hui, les matériaux à changement de phase chalcogénures étant des candidats prometteurs en raison de leur système électrique et optique remarquablement unique, ouvrant de nouvelles perspectives dans les domaines photoniques récents. applications. Dans ce travail, nous proposons un résonateur reconfigurable utilisant des couches planaires de films ultraminces empilés à base de métal-diélectrique-PCM, que nous avons conçu et analysé numériquement par la méthode des éléments finis (FEM). La structure est basée sur des films minces d'or (Au), d'oxyde d'aluminium (Al2O3) et de PCM (In3SbTe2) utilisés comme substrat. La modulation entre les phases PCM (amorphe et cristalline) permet l'alternance du filtre à la structure absorbante dans le spectre infrarouge (IR) (1000-2500 nm), avec une efficacité supérieure à 70 % dans les deux cas. L'influence de l'épaisseur du matériau est également analysée pour vérifier les tolérances des erreurs de fabrication et contrôler dynamiquement l'efficacité des pics de transmission et d'absorption. Les mécanismes physiques du couplage de champ et de la densité de puissance transmise/absorbée sont étudiés. Nous avons également analysé les effets sur les angles de polarisation des ondes polarisées transversales électriques (TE) et transversales magnétiques (TM) dans les deux cas.

Le contrôle efficace des ondes électromagnétiques dans les régions térahertz (THz) grâce à l'utilisation de dispositifs photoniques reconfigurables est déjà une réalité inestimable, notamment lorsqu'il s'agit de métasurfaces1,2,3,4,5, de lentilles métalliques6,7, de plasmoniques8,9 et d'absorbeurs métamatériaux10, 11. Dans ce contexte, les matériaux à changement de phase chalcogénure non volatils (PCM)12,13,14,15 présentent de grands avantages, du fait de leur stabilité thermique, garantie de non-volatilité dans les changements drastiques existant entre les états amorphe et cristallin, ultra -commutation rapide entre les phases (nanosecondes pour femtosecondes) et leurs valeurs de constantes optiques sur une large gamme du spectre électromagnétique. Les PCM offrent de nombreux avantages technologiques pour la mémoire universelle en raison de leurs vitesses de lecture/écriture élevées, de leur nature non volatile, de leur résistance de lecture/écriture étendue et de leur grande évolutivité. Un film PCM amorphe peut être cristallisé par chauffage au-dessus de la température de cristallisation (ou température de transition vitreuse), mais sans atteindre la température de fusion. De manière analogue, un processus de réamorphisation des PCM implique une fusion et une trempe rapides des PCM dans leur phase amorphe. Dans un contexte pratique, l'état des matériaux à changement de phase peut être contrôlé par la température et la tension électrique, entre autres, permettant le contrôle dynamique de leurs indices de réfraction et, par conséquent, de leur permittivité relative16. Les contrastes optiques élevés des matériaux à changement de phase peuvent être perçus dans le spectre infrarouge, où l'on trouve de nombreuses applications pratiques, telles que les émetteurs thermiques17, le camouflage18,19, les photodétecteurs20, la polarisation21 ne sont que quelques exemples. Les PCM de chalcogénure les plus utilisés en raison de leurs riches propriétés commutables sont ceux basés sur Ge – Sb – Te (GST) 22,23,24. Les PCM basés sur la GST ont reçu une grande attention dans le domaine des dispositifs photoniques reconfigurables et pour le développement de la technologie de mémoire vive. Ses caractéristiques reconfigurables et sa non-volatilité permettent de manipuler et de contrôler la lumière dans des géométries sub-longueurs d'onde25. Dans des recherches récentes, les composés Sb2S3 et Sb2Se3 ont été classés comme matériaux à changement de phase compte tenu de leurs faibles pertes optiques applicables dans le spectre visible26. Une métasurface thermiquement reconfigurable dans la région infrarouge basée sur le changement de phase du GeTe dans une conception d'absorbeur a été développée dans laquelle le changement de phase du Ge – Te déplace les pics de résonance en faisant varier partiellement sa cristallisation/amorphisation. Un filtre métal-isolant-métal (MIM) optique et reconfigurable dynamiquement basé sur Ge2Sb2Se4Te1, capable de laisser passer ou d'atténuer les longueurs d'onde proches de l'IR, a été développé et testé en 29. Dans30, les auteurs ont démontré expérimentalement deux régimes de réglage fonctionnels pilotés par la transition VO2 sous la forme d'une modulation de deux ordres de grandeur de la transmission métasurface et d'un ajustement spectral d'une absorption presque parfaite. Les deux fonctionnalités sont accompagnées d'un comportement de type hystérésis qui peut être exploité pour des effets de mémoire polyvalents. Chen et al.31 ont proposé un absorbeur à large bande isotrope réglable basé sur VO2 dans la région térahertz. En réglant la géométrie à incidence normale, il a été possible d'obtenir une efficacité d'absorption supérieure à 90 % entre 1,08 et 2,55 THz.