基于相变的可重构微纳光学器件:从材料、机制到应用

作者: 李晨圣

来源: Advanced Science

发布日期: 2024-05-11 18:05:27

本文介绍了微纳光学器件的发展及其在集成光学技术中的重要性,重点讨论了基于相变材料的可重构微纳光学器件,包括其材料、相变机制和应用。文章还提到了中国科学院物理研究所的研究工作及其在Advanced Science期刊上发表的相关研究成果。

微纳光学器件具有在亚波长尺度范围内发射、引导、调制、局域、吸收和探测光的能力。与传统的光学器件相比,微纳光学器件具有更小的体积、更高的集成度以及更加丰富的光学功能,展现出更广阔的应用前景和更高的技术价值,现已成为现代集成光学系统中不可或缺的组成部分。

在性能方面,微纳光学器件展示出高分辨率、高传输效率和高开关比等优异的光学性能;在制作工艺上,微纳光学器件采用与半导体工艺兼容的先进加工技术,不仅保证了高生产效率和精确度,还降低了生产成本。微纳光学器件的发展极大地推动了集成光学技术的进步,使得许多新奇的光学现象和技术成为可能,并因此带来了光学神经网络、光子集成电路、光量子技术、光通信、生物传感和光学成像等领域的技术创新。

静态微纳光学器件的光学特性在其制备完成后随之固定,在一定程度上限制了器件功能性的拓展,通过引入功能材料(如液晶、半导体材料、二维材料、柔性材料、相变材料等)或功能器件(如异质结、微机电系统等),能够实现微纳光学器件光学响应的可逆动态调控,从而形成了可重构微纳光学器件。

其中,相变材料因相变过程中伴随的材料光学性质或形状变化而实现相应器件的可重构光学调制,具有相变响应速度快、可循环次数多、相变引起的光学对比度高以及相变激励方式多元化等优点,为实现可重构微纳光学器件提供了极具竞争力的解决方案。

文中介绍的用于实现可重构微纳光学器件的相变材料主要包括三种,分别是硫系相变材料(Chalcogenides)、过渡金属氧化物(Transition metal oxides)以及形状记忆合金(Shape memory alloys)。相变前后,硫系相变材料与过渡金属氧化物的介电性质发生了明显的变化,这分别源于电子离域程度以及能带结构的改变,而形状记忆合金则表现出基于马氏体相变的可重构形状变化。

这些器件的工作波段涵盖紫外、可见、红外以及太赫兹波段,所包含的相变材料形式多样,既有薄膜形式,也包括图案化结构,而实现相变调控的手段主要集中在电调控和光调控技术上。这些器件以按需或自适应的调控方式与入射光相互作用,从而实现特定的光学调制功能,在新一代微纳光学器件及集成光学系统的发展中发挥了不可替代的作用。

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