本技术涉及一种新型电光调制器件,采用透明微加热器技术,包含底层、支撑层、电极层和相变层。其中,衬底层中间区域设计为悬空结构,电极层特别包含透明电极,位于中间区域,以实现高效的电光调制功能。
背景技术
相变材料可以通过非晶态和晶态的可逆切换使其电学和光学性质产生显著的变化,这为设计可重构的电光调制器件提供了新思路。在可调谐和有源材料中,相变材料具备独特的非易失性、CMOS兼容性、可扩展性和超快开关等性质。因此将相变材料与微纳光子器件的结构设计相结合,将会大幅提高现有电光调制器件的性能及器件集成度。
由Ge、Sb、Te三种元素按照一定比例构成的化合物GST,是一种典型的热致相变材料,其特点在于,任何可以产生高温的方式实际上都能够引起GST相变,并且相变后能够保持稳定的晶态,不需要外部能量维持材料的相态。GST具有多种不同的元素构成比例,它们之间存在一定的性质差别。其中Ge2
Sb2
Te5
在相变速度和延展性方面相比其他元素比例的化合物性能更加优异,是一种在电光调制器件、相变材料超表面中应用最广泛的材料。根据之前的文献报道,目前通常采用直接加热、脉冲激光辐照、电压脉冲三种方式对Ge2
Sb2
Te5
的相态进行调控。这三种方式的优缺点很明显,且应用的场景不同。直接利用热板等设备进行加热最为直接和便捷,可以在短时间内实现材料的较大面积相变,但是由于热板无法在短时间内提供快速退火所需的热量,无法实现对Ge2
Sb2
Te5
相态的可逆切换以及相变程度的控制,并且难以完成对局部区域材料相态的调控。相较于直接加热的方式,脉冲激光辐照的方式具备快速切换、稳定可控、可以实现材料的可逆切换和局部区域相态的控制,但这种方式在实际应用场景中有很大的限制,需要搭建庞大的激光设备和复杂的光路系统。电压脉冲的方式最为快速和便捷,通过搭建简单的电驱动平台,采用外部电源对电驱动平台的电极层施加电压,加电时产生的电焦耳热可以任意切换材料的相态。2021年,Yifei Zhang 等人设计了基于光学相变材料的大规模、电可重构的非易失性超表面平台。器件使用光学相变材料Ge2
Sb2
Se4
Te (GSST)独特的展示了巨大的非易失性折射率调制能力、宽带低光损耗和大的可逆开关体积等特性,显著增强了有源光学相变材料介质中的光-物质相互作用(参见文献:Nature Nanotechnology2021,661, 666.);2022年,Sajjad等人提出利用GST-225相变前后的光学特性差异,设计了一种原位电驱动可调谐的超表面,以实现在近红外光谱范围内的非易失性、可逆、多级、快速和显著的光学调制。电驱动的可重构超表面效率达到80%,并且具有超过250nm的准连续光谱调谐能力(参见文献:Nature Communications2022,13, 1696.)。但上述两者在加电过程中均会存在成丝现象,即最先结晶形成的细线会阻止周围区域的材料结晶从而影响整个区域的均匀结晶。“电丝效应”阻止了电光调制器件中电流直接通过相变材料进行的相态切换,从而影响器件的性能。为了解决“电丝效应”这一问题,目前将微加热器应用到电驱动平台中可以进一步克服对相变材料加电过程中产生的成丝现象。然而传统的微加热器通常采用高反射的金属作为热电阻层,这导致在中红外到太赫兹波段,与微加热器集成的相变材料光调制器被限制在反射模式下工作。此外,电压脉冲产生的功耗高,并且微加热器的大部分热量会耗散到衬底上,这进一步阻碍了相变材料光调制器与可重构微型光芯片系统的集成。现有技术由衬底层和覆盖层构成器件,覆盖层和衬底层之间存在空间,空间内设有若干金纳米盘,每个金纳米盘上设有相变材料。覆盖层覆盖在相变材料上,作为器件的光场调控单元,覆盖层的两边设有金属电极,作为器件的电极调控单元。通过外部施加电压使覆盖层不断产生焦耳热驱动相变材料发生相变,使其光学介电常数发生显著改变,从而实现对中红外波段光的动态电光调制;该器件采用二维半金属材料PtSe2作为覆盖层,虽然具有透光性高、导电性好、实现对反射光约64.8%的最大调制深度、能够对空间入射光实现动态调控等优点,但仍旧存在对透射光调制深度低、加热不均匀和热损耗高的问题。
实现思路