[发明专利]一种基于相变材料的空间光型电光调制器件及其制造方法

说明书

本发明公开一种基于相变材料的空间光型电光调制器件及其制造方法，该器件由衬底、下电极层、相变层、上电极层和覆盖层多层复合结构构成，其中上下电极层分别包含规则排列的N位和M位金属微纳光栅，作为器件的电极和光场调控单元。通过控制上下电极偏压，使相变材料形成不同晶化程度的相变区域，导致光学介电常数发生显著改变，从而对器件的反射光与共振吸收峰进行动态电致调制。本发明的器件可实现具有N×M面阵单元的空间光调制，工作频段位于3~10微米的中红外波段。相变材料在非晶态时，器件能够实现接近100%的完美吸收；非晶态‑晶态之间转变时，实现约80%的调制深度。不仅仅可以实现完美吸收峰的动态调控，而且还能够对空间入射光具有动态幅度调控。

技术领域

本发明涉及电光调制器技术领域，尤其涉及一种基于相变材料的空间光型电光调制器件及其制造方法。

背景技术

非易失性相变材料是一类至少存在非晶态和晶态两种晶相的新型可调材料，通过温度诱导、压力诱导、电压诱导和激光脉冲诱导等方式可以实现非晶态和晶态之间晶相的动态调控，改变其力、热、电、光等方面的物理特性。由于相变材料非晶态和晶态的原子排列方式、电子结构存在着显著性差异，导致光学性能（介电常数）和电学性能（电导率）有着极大的差异。对于石墨烯、透明导电氧化物和铌酸锂等材料，亦可以通过载流子浓度变化、温度变化、外加电场变化等方式改变介电常数，并实现光学调控，但其介电常数的变化幅度远比相变材料小。因此，相变材料正逐渐被应用于光子相变存储器、相变超表面、相变超材料和相变光学显示等领域。

Ge2Sb2Te5 (GST)作为最常见且应用最广泛的相变材料，相比于VO2等相变材料，具有非易失的优点，能够稳定保持相变后晶态或非晶态，不需要能量维持材料的状态。随着材料晶格排布特征的改变，其电学特性电导率与光学特性介电常数也发生巨大变化，因此可以作为各类光调制器件的可调材料层。大量的研究工作报道了基于相变材料GST的硅基波导型或空间光型电光调制器。H. Zhang等在Science Bulletin第64卷782页采用控制GST状态的方式来调节硅波导光传输实现硅基波导型调制器。将GST与金属微纳结构相结合的器件，能够动态调控超表面的光学响应。2013年，B. Gholipour等在Advanced Materials第25卷3050页提出将GST与具有Fano共振的金开环谐振器阵列相结合，采用激光脉冲对GST进行相变转换实现良好的调制性能。传统超材料吸收器严重依赖结构设计，制备的器件只能吸收特定波段内的电磁波，但将相变材料GST作为吸收器介质层，通过不同相态介电常数的变化，便可实现可重构的完美吸收器。Y. Chen等在Photonics Research第3卷54页通过调控相变材料的不同晶化比例，实现调谐范围为650 nm的等离子体完美吸收器。此外，相变材料也可应用于手性超表面，X. Yin等在Nano letters第15卷4255页实现圆二色性响应的动态调控，透射光谱的 CD 光谱随相变材料相态变化而大幅度变化。相变材料除了应用于超表面幅度调控，还能够应用于相位调控，以提高对光束波前的灵活调控。根据这种器件设计理念，S. Abdollahramezani等在Nano letters第21卷1238页采用不同半径大小的硅纳米盘结构，相变材料非晶态与晶态相互转换可以获得入射光相位可调性大于230°。电压和激光能够局域调控相变，P. Hossein等在Nature 第511卷206页首次设计了一种光电彩色显示框架，采用原子力显微镜的针尖作为器件的纳米电极，通过针尖对每个像素点施加电压产生相变来构建图案，实现高分辨相变显示器。根据之前的文献报道，通常使用稳态加热、光脉冲、电压脉冲三种方式诱发材料相变，但加热后却难以在低于晶化时间内完成快速淬火过程。激光脉冲和电压脉冲诱导方式可以快速、稳定、可逆相变，同时可以精确控制器件局部相变位置。针对器件存在多个局部相变需求时，激光脉冲控制并不便捷。此外，激光脉冲要求相变材料的相变区尺寸较小，这无法满足大面阵空间光学调制器的设计需求。目前大多数光学相变调制器件所采用温度和激光脉冲诱导相变方式并不实用化，在器件实际工作时仍存在诸多限制的问题。