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硫系相變材料構(gòu)建多層膜法布里-珀羅光腔實(shí)現(xiàn)超高開(kāi)關(guān)比光開(kāi)關(guān) | 科研進(jìn)展

2025-07-10

光開(kāi)關(guān)技術(shù)新突破:熱光波導(dǎo)透鏡與硫系相變材料雙驅(qū)動(dòng)


微納尺度光開(kāi)關(guān)是可集成光通訊、光計(jì)算器件及激光雷達(dá)等新一代光信息設(shè)備的核心基礎(chǔ)部件,其性能直接影響設(shè)備的功耗、集成度與應(yīng)用場(chǎng)景。作為專注于光通信器件研發(fā)與銷售的廣西科毅光通信科技有限公司(官網(wǎng):www.m.rise-pj.com),始終密切關(guān)注光開(kāi)關(guān)技術(shù)的前沿突破,近日,中國(guó)科學(xué)院物理研究所李俊杰研究員團(tuán)隊(duì)的最新研究,為超高開(kāi)關(guān)比光開(kāi)關(guān)的發(fā)展帶來(lái)了革命性思路。



一、光開(kāi)關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀:傳統(tǒng)方案的瓶頸與相變材料的崛起


目前,基于機(jī)械、電光及聲光調(diào)控的傳統(tǒng)光開(kāi)關(guān),普遍面臨功耗大、開(kāi)關(guān)比小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易集成等問(wèn)題,嚴(yán)重限制了其在新興微納光學(xué)器件領(lǐng)域的應(yīng)用。而硫系相變材料憑借相變前后顯著的光學(xué)參數(shù)變化,成為解決這一困境的關(guān)鍵 —— 其非易失相變特性無(wú)需額外外部驅(qū)動(dòng)即可維持狀態(tài),為低功耗、易制造、可集成的高性能光開(kāi)關(guān)研發(fā)提供了全新方向。



二、中科院團(tuán)隊(duì)硫系相變材料研究成果回顧


中國(guó)科學(xué)院物理研究所李俊杰團(tuán)隊(duì)在硫系相變材料及其微納光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)深耕,已取得一系列創(chuàng)新性成果:



  • 利用Ge2Sb2Te5的高損耗特性,在紫外到近紅外超寬波段實(shí)現(xiàn)超表面完美吸波器 [Laser Photonics Rev. 2023, 17, 2200364];

  • 通過(guò)幾何相位梯度優(yōu)化設(shè)計(jì),開(kāi)發(fā)出具有光子路由功能的動(dòng)態(tài)調(diào)控雙層超表面 [Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2310626],驗(yàn)證了硫系相變材料在可調(diào)微納光學(xué)器件中的應(yīng)用潛力;

  • 撰寫綜述文章 [Adv. Sci. 2024, 11, 2306344],全面評(píng)述硫系相變材料在可重構(gòu)微納光學(xué)器件領(lǐng)域的應(yīng)用,為行業(yè)發(fā)展提供重要參考。



三、最新突破:多層膜法布里 - 珀羅腔光開(kāi)關(guān)技術(shù)解析

近日,該團(tuán)隊(duì)基于硫系相變材料設(shè)計(jì)的多層膜法布里 - 珀羅(F-P)腔光開(kāi)關(guān),首次將Ge2Sb2Se4Te(GSST)薄膜引入 F-P 腔結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了超高開(kāi)關(guān)比的突破性進(jìn)展。


核心原理:相變調(diào)控的 “開(kāi) - 關(guān)” 機(jī)制


團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用 GSST 薄膜的相變特性:

  • 當(dāng) GSST 處于非晶態(tài)時(shí),光開(kāi)關(guān)滿足 F-P 腔駐波條件,光場(chǎng)局域增強(qiáng)使共振波長(zhǎng)處反射率接近零;

  • 當(dāng) GSST 相變?yōu)榫B(tài)時(shí),其折射率顯著變化導(dǎo)致駐波條件被打破,反射率大幅提升,形成 “開(kāi) - 關(guān)” 狀態(tài)的高效切換。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化:性能躍升的關(guān)鍵


通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)(包括抗反射層Al2O3、頂部反射層 Au、介質(zhì)復(fù)合層Al2O3/GSST/Al2O3和底部反射層 Pt/Ti 的厚度),在 1500nm 通訊波段,實(shí)驗(yàn) / 模擬最高開(kāi)關(guān)比分別達(dá)到 735/2410,較文獻(xiàn)報(bào)道提升一個(gè)數(shù)量級(jí),性能優(yōu)勢(shì)顯著。



四、技術(shù)示意圖與性能數(shù)據(jù)解析

GSST 光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)及功能示意圖 - 硫系相變材料法布里 - 珀羅光腔工作原理


圖 a 清晰展示了 GSST 光開(kāi)關(guān)的多層結(jié)構(gòu)及 “非晶態(tài) - 晶態(tài)” 相變下的反射率切換原理,核心在于 GSST 薄膜的折射率調(diào)控作用。


不同 GSST 厚度下光開(kāi)關(guān)的模擬開(kāi)關(guān)比 - 硫系相變多層膜光開(kāi)關(guān)性能模擬數(shù)據(jù)


圖 b 通過(guò)模擬數(shù)據(jù)表明,GSST 厚度對(duì)開(kāi)關(guān)比影響顯著,為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了關(guān)鍵參考。


共振波長(zhǎng)下 GSST 光開(kāi)關(guān)的模擬電場(chǎng)圖 - 硫系相變材料光腔光場(chǎng)分布模擬


圖 c 直觀呈現(xiàn)了非晶態(tài)時(shí) F-P 腔的光場(chǎng)局域增強(qiáng)效應(yīng),解釋了近零反射率的形成機(jī)制。


硫系相變材料光開(kāi)關(guān) SEM 圖像、不同 GSST 厚度實(shí)驗(yàn)開(kāi)關(guān)比及溫度依賴特性綜合圖 - 多層膜法布里 - 珀羅光腔超高開(kāi)關(guān)比光開(kāi)關(guān)性能數(shù)據(jù)


圖 d 的 SEM 圖像驗(yàn)證了多層膜結(jié)構(gòu)的精確制備,為技術(shù)落地提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

圖 e 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果高度吻合,證實(shí)了超高開(kāi)關(guān)比的可靠性。

圖 f 顯示該光開(kāi)關(guān)在寬溫度范圍內(nèi)性能穩(wěn)定,進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用場(chǎng)景。



該研究成果以 “Ge2Sb2Se4Te-based Optical Switch with Ultra-high Contrast Ratio by Multilayer Fabry-Perot Cavity” 為題發(fā)表于《Advanced Science》(2 月 14 日),為光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息加密、動(dòng)態(tài)光調(diào)制等領(lǐng)域提供了高性能光開(kāi)關(guān)解決方案。

 

廣西科毅光通信科技有限公司(官網(wǎng):www.m.rise-pj.com)作為光通信器件領(lǐng)域的專業(yè)供應(yīng)商,深刻認(rèn)識(shí)到此類超高開(kāi)關(guān)比光開(kāi)關(guān)的技術(shù)價(jià)值。未來(lái),公司將持續(xù)關(guān)注硫系相變材料等前沿技術(shù)在光通信器件中的應(yīng)用,致力于為客戶提供更低功耗、更高性能、更易集成的光開(kāi)關(guān)產(chǎn)品與解決方案。

 

選擇合適的光開(kāi)關(guān)是一項(xiàng)需要綜合考量技術(shù)、性能、成本和供應(yīng)商實(shí)力的工作。希望本指南能為您提供清晰的思路。我們建議您在明確自身需求后,詳細(xì)對(duì)比關(guān)鍵參數(shù),并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術(shù)扎實(shí)、質(zhì)量可靠、服務(wù)專業(yè)的合作伙伴。

 

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