[論文レビュー] Phase-change silicon as an ultrafast active photonic platform

Letian Wang, Matthew Eliceiri+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2019

Phase-change materials and chalcogenides参考文献 74被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、ナノ秒レーザーパulsesを用いてナノスケールのシリコンドメインをアモルファス状態と結晶状態の間で逆転可能に相転移させられることを示しており、可視光波長域で超高速かつ非揮発性の光変調を実現する。この手法は、ナノ秒スケールの時間で25%の変調深度を達成し、高解像度の誘電体色ディスプレイおよび動的波フロント制御への応用を可能にする。

ABSTRACT

Phase change material (PCM) features distinct optical or electronic properties between amorphous and crystalline states. Recently, it starts to play a key role in the emerging photonic applications like optoelectronic display, dynamic wavefront control, on-chip photonic memory and computation. However, current PCMs do not refract effectively at visible wavelengths and suffer from deformation and decomposition, limiting the repeatability and vast visible wavelength applications. Silicon as the fundamental material for electronics and photonics, has never been considered as phase change material, due to its ultrafast crystallization kinetics. Here we show the striking fact that nanoscale silicon domains can be reversibly crystallized and amorphized under nanosecond laser pulses. For a typical disk resonator, it also provides a 25% non-volatile modulation at nanosecond time scale. We further show proof-of-concept experiments that such attributes could enable ultra-high resolution dielectric color display and dynamic visible wavefront control.

研究の動機と目的

• 従来の急速な結晶化動力学を示すが、光子デバイス用途における新しい相変化材料（PCM）としてのシリコンの可能性を検討すること。
• 従来のPCMの限界、例えば可視光波長域での屈折率応答の低さや材料劣化の問題を克服すること。
• シリコンナノ構造を用いて、可視光スペクトル域で超高速かつ非揮発性の光変調を実現すること。
• 相工程制御されたシリコンを用いた、誘電体色ディスプレイおよび動的波フロント制御におけるプロトタイプ応用の実証。
• パルスレーザー励起下でのナノスケールのシリコンにおける相転移の逆転可能性および安定性の検証。

提案手法

• ナノ秒レーザーパulsesをナノスケールのシリコンドメインに照射し、アモルファス状態と結晶状態の間で逆転可能な相転移を誘発すること。
• 相転移に起因する屈折率変化を用いて非揮発性光変調を実現するディスクレゾネータ構造を用いること。
• ナノ秒スケールの時間で相転移ダイナミクスを特徴付けるために、時間分解光測定を実施すること。
• 色生成および波フロント操作を目的として、相工程制御されたシリコンを基盤とする誘電体ナノ構造を設計・作製すること。
• 可視光範囲におけるシリコンの固有の光学的性質を活用し、高コントラストでチューナブルな応答を達成すること。
• 繰り返しレーザー走査と構造的分析を通じて、相転移の逆転可能性および安定性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノスケールのシリコンは、ナノ秒スケールでアモルファス状態と結晶状態の間を逆転可能に相転移することができるか？
• RQ2 相転移するシリコンは、可視光波長域で顕著で非揮発性の光強度または位相の変調を生じるか？
• RQ3 相工程制御されたシリコンナノ構造は、高解像度の誘電体色ディスプレイを実現可能か？
• RQ4 超高速かつ逆転可能なシリコンにおける相転移を用いて、動的波フロント制御を達成できるか？
• RQ5 繰り返しレーザーパulsesを加えた条件下でも、シリコンにおける相転移は安定的かつ繰り返し可能か？

主な発見

• ナノ秒レーザー励起を用いることで、ナノスケールのシリコンドメインがナノ秒スケールで逆転可能な結晶化およびアモルファス化を経験する。
• 相変化シリコンを用いたディスクレゾネータは、可視光波長域で25%の非揮発性光変調を達成する。
• 相転移ダイナミクスはナノ秒スケールで発生し、超高速光スイッチングを可能にする。
• 設計されたシリコンナノ構造を用いた手法により、高解像度の誘電体色生成が可能となる。
• プロトタイプ実験により、位相変調されたシリコンプラットフォームを用いた動的波フロント制御が実証された。
• 従来のPCMの限界を克服し、可視スペクトル域で効果的な屈折率コントラストを実現できるようになった。