CN111694170A - 基于相变材料的可控光束转向器 - Google Patents

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Abstract

一种基于相变材料的可控光束转向器，该器件包括横向排列的下电极，纵向排列的上电极，在上电极和下电极交叉的区域为相变材料层，上下形成三明治结构。光束从底面入射，经过该器件后，从表面输出，通过控制相变材料状态，实现对输出透射光束偏转角的控制。本发明利用相变材料的上下层电极，对相变单元施加电脉冲，电脉冲经过相变材料产生焦耳热使相变区域温度升高，实现相变材料在晶态、非晶态或者混合态间的变换，以此改变透射光输出相位，实现光束转向功能。本发明二维相变阵列可以灵活编程获得任意输出相位分布，从而能实现对光束偏转角的灵活调节。相变材料只在状态切换时消耗能量，因此该器件没有静态功耗。

Description

基于相变材料的可控光束转向器
技术领域
本发明是一种基于相变材料的可控光束转向器，属于集成光电子学领域。
背景技术
随着集成光电子技术的发展，各种光电子器件都受到了广泛的研究。其中，一项重要的技术就是能够对光束进行有效的操控，尤其是在空间光通信、全息图像生成、激光雷达技术等领域，迫切需要小型化、高分辨率的光束转向技术。对于集成光电子领域而言，在微纳尺度实现对光的特征参数的动态控制面领着诸多挑战。
传统的光束转向结构主要分为机械式和非机械式两类。基于MEMS技术的光束转向结构是微机械式转向结构的典型代表，其制造成本较低，且可以提供相对于传统机械马达转动更快的转向速度。但是它也有诸多问题，一方面，该结构利用材料形变来改变相邻单元结构之间的相对位置实现光束偏转，驱动电压较高；另一方面，该结构对于环境的变化较为敏感，易受振动的影响，带来稳定性的问题。比较流行的非机械式光束转向结构采用上下电极间引入有源层的三明治结构实现，有源层的材料主要是液晶、电光晶体和量子点材料；通过对上下电极施加电压改变中间有源层的折射率，实现对入射光束的调控；但是该技术调节速度较慢、功耗较高、分辨率不高。
在过去数年间，超材料在实现光束的有效控制方面展现出较好的前景。利用超材料制备的亚波长尺寸微结构阵列中，每个单元可以操控入射电磁波的相位、幅值或者偏振特性，从而实现对发射或透射电磁波波前的控制。目前所报道的利用超材料实现的超表面光束转向结构往往采用无源结构，一旦器件制备完成，其功能也就固定，无法实现对光束的动态调节。加州理工学院在2019年报道了利用III–V族材料制备的多量子阱超表面，其采用III–V族复合半导体材料的多量子阱结构作为谐振单元，通过对亚波长的单元结构施加直流电压，可以实现对超表面反射光束的幅值和相位的连续调节，实验中可以实现270％的相对反射模式调控，相位调节从0°到70°。但是，该结构需要在GaAs衬底上多次生长特定厚度的III–V族材料形成布拉格反射层，制备工艺相对复杂，成本较高。
相变材料作为光盘存储材料和电学存储器单元已经得到了广泛的研究。相变材料通常具有晶态和非晶态，这两种状态具有明显不同的电学和光学特性如电阻率和折射率；通过施加适当的热、光、电刺激，就可以在ns量级实现这两种状态的相互转换，甚至实现介于这两种状态之间的中间状态，且这些状态在常温下可以稳定存在；因而相变材料在实现超快、非易失性可重构光子器件方面具有诸多潜力。C.D.Wright等人在2018年报道了基于相变材料的非易失性可重构光束转向器件，该器件采用简单的金属-绝缘体-金属的结构单元形成超表面；其中相变材料被完全保护起来防止氧化，表面的金属被加工成不同宽度的带状天线；利用激光照射的方式诱导相变材料在晶态和非晶态之间相互转换。该器件的工作波长在1530–1570nm，光束反射率达到40％。但是，该器件的相变材料层面积较大，使用激光照射很难实现大面积均匀相变；另外，表面采用铝带状天线，器件对偏振敏感，且由于过高的相变材料非晶化温度可能造成铝熔化。
发明内容
本发明针对现有光束转向技术的一些不足，提出一种基于相变材料的可控光束转向器，该器件利用相变材料上下层电极对相变单元施加电脉冲，使相变材料能够在晶态、非晶态及中间混合状态间切换，从而改变透射光的相位，实现光束转向功能。该器件最大的特点是可以实现对每个相变单元的独立访问，自由改变透射光相位分布，实现对光束偏转角的灵活操控。由于相变材料具有状态非易失特性，仅在状态发生转换时消耗能量，因此器件没有静态功耗。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于相变材料的可控光束转向器，其特点在于在衬底的上表面形成多路横向平行排列的下电极和纵向平行排列的上电极，所述的上电极和下电极之间通过隔离层隔离，仅在交叉区域填充相变材料构成相变单元，形成三明治结构，光束由器件底面输入，穿过器件后从表面输出。利用所述的上电极和下电极对相变单元施加电脉冲，经过相变材料，产生焦耳热，使相变材料温度升高，实现相变材料在晶态、非晶态以及中间混合态间的转换，从而改变透射光的输出相位，该器件的二维单元阵列结构可以实现对每个相变单元的独立访问，灵活控制光束的透射相位，实现对光束的自由操控。
所述的衬底和上下电极间的绝缘材料可以但不限于二氧化硅、氮化硅等对目标波段透明的介质材料。
所述的上下电极材料可以但不限于氧化铟锡、石墨烯等对目标波段透明的低电阻导电材料。
所述器件的相变材料在施加不同电脉冲下可以呈现不同折射率的状态，相变材料包括但不限于GeSbTe、GeTe、GeSe、SbS等过渡金属硫化合物材料。
本发明的技术效果如下：
本发明利用相变材料的上下层电极，对相变单元施加电脉冲，电脉冲经过相变材料产生焦耳热使相变区域温度升高，实现相变材料在晶态、非晶态或者混合态间的变换，以此改变透射光输出相位，实现光束转向功能。本发明二维相变阵列可以灵活编程获得任意输出相位分布，从而能实现对光束偏转角的灵活调节。相变材料只在状态切换时消耗能量，因此该器件没有静态功耗。
附图说明
图1为本发明基于相变材料的可控光束转向器的示意图。
图2为本发明基于相变材料的可控光束转向器的工作原理图。
图3为本发明基于相变材料的可控光束转向器的电脉冲相变工作机理。
图4为本发明基于相变材料的可控光束转向器对单个相变单元仿真的电脉冲加热下的温度响应。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
请参阅图1，图1为本发明基于相变材料的可控光束转向器的结构示意图，如图所示，一种基于相变材料的可控光束转向器，在衬底4的上表面形成多路横向平行排列的下电极2和纵向平行排列的上电极1，所述的上电极1和下电极2之间通过隔离层5隔离，仅在交叉区域填充相变材料构成相变单元3，形成三明治结构，光束由器件底面输入，穿过器件后从表面输出。利用所述的上电极1和下电极2对相变单元3施加电脉冲，经过相变材料，产生焦耳热，使相变材料温度升高，实现相变材料在晶态、非晶态以及中间混合态间的转换，从而改变透射光的输出相位，该器件的二维单元阵列结构可以实现对每个相变单元的独立访问，灵活控制光束的透射相位，实现对光束的自由操控。
实施例：
以二氧化硅为衬底，主要由横向平行排列的下电极、交叉区域的相变材料层、纵向排列的上电极层三部分构成，上下电极间通过二氧化硅隔离。首先在二氧化硅衬底上沉积一层ITO，采用电子束曝光及刻蚀工艺形成横向排列的下电极；再沉积二氧化硅层，进行刻蚀形成相变材料通孔；之后沉积相变材料，对表面进行平坦化处理；再在表面沉积一层ITO，并通过电子束曝光及刻蚀形成纵向排列的上电极。
图2为本发明的器件结构工作原理示意图。光束从二氧化硅衬底下面入射，穿过器件，从器件表面出射。当相变材料3在初始状态时，光束垂直入射，垂直出射。通过上电极1和下电极2对不同相变单元逐一施加电脉冲，电流经过相变材料3，产生焦耳热，使相变材料3温度升高，改变不同相变单元的状态，以此改变不同区域相变材料的折射率分布，从而使透射光的输出相位在相邻单元间相差
Figure BDA0002538564430000041
实现对光束的转向。
图3为本发明的器件结构的电脉冲相变的原理图。对器件相变单元施加电脉冲，电流流过相变材料层产生焦耳热，使相变材料的温度升高。当施加一个宽度较窄、幅值较高的电脉冲，使相变材料最高温度超过融化温度，然后迅速冷却，经历快速熔融及淬火过程，就可以使相变材料从晶态转变为非晶态。在非晶状态下，相变材料具有低的折射率。当施加一个宽度较宽，而幅值较低的电脉冲时，可以使相变材料获得较低的加热温度，当相变材料的温度超过晶化阈值温度而低于熔化温度时，就可实现相变材料从非晶态到晶态的转变。在晶态时，相变材料具有较高的折射率。控制施加电脉冲的幅值和个数，可以获得非晶态和晶态之间的混合状态。
图4是以Ge2Sb2Te5(GST)为相变材料，仿真相变结构单元分别在非晶化和晶化电脉冲作用下，GST中的温度响应。可以看到，当在上下电极施加9V,10ns的非晶化脉冲，GST区域的最高温度可以超过非晶化的阈值温度，实现GST从晶态向非晶态转变；当在上下电极施加7V,150ns的晶化脉冲时，GST区域的最高温度介于晶化阈值温度和和非晶化阈值温度间，可以实现GST从非晶态向晶态转变。
实验表明，本发明利用相变材料的上下层电极，对相变单元施加电脉冲，电脉冲经过相变材料产生焦耳热使相变区域温度升高，实现相变材料在晶态、非晶态或者混合态间的变换，以此改变透射光输出相位，实现光束转向功能。本发明二维相变阵列可以灵活编程获得任意输出相位分布，从而能实现对光束偏转角的灵活调节。相变材料只在状态切换时消耗能量，因此该器件没有静态功耗。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于相变材料的可控光束转向器，其特征在于在衬底(4)的上表面形成多路横向平行排列的下电极(2)和纵向平行排列的上电极(1)，所述的上电极(1)和下电极(2)之间通过隔离层(5)隔离，在所述的上电极(1)和下电极(2)的交叉区域填充有相变材料构成相变单元(3)，形成三明治结构；
通过所述的上电极(1)和下电极(2)对相变单元(3)施加电脉冲，经过相变材料，产生焦耳热，使相变材料温度升高，实现相变材料在晶态、非晶态以及中间混合态间的转换，从而改变透射光的输出相位。
2.根据权利要求1所述的基于相变材料的可控光束转向器，其特征在于，所述的硅衬底(4)和隔离层(5)的材料为硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅等对目标波段透明的介质材料。
3.根据权利要求1所述的基于相变材料的可控光束转向器，其特征在于，所述的上电极(1)和下电极(2)的材料为氧化铟锡、石墨烯等对目标波段透明的低电阻导电材料。
4.根据权利要求1所述的基于相变材料的可控光束转向器，其特征在于，所述的相变材料在施加不同电脉冲下可以呈现不同折射率状态，相变材料为GeSbTe、GeTe、GeSe、SbS等过渡金属硫化合物材料。
5.根据权利要求1所述的基于相变材料的可控光束转向器，其特征在于，光束由所述的器件底面输入，并穿过器件后从其表面输出，该器件的二维单元阵列结构可以实现对每个相变单元的独立访问，灵活控制光束的透射相位，实现对光束的自由操控。
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