[논문 리뷰] Phase-change silicon as an ultrafast active photonic platform

Letian Wang, Matthew Eliceiri외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 26.

Phase-change materials and chalcogenides참고 문헌 74인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 나노초 레이저 펄스를 사용하여 나노스케일 실리콘 영역을 비가역적으로 암흑상태와 결정상태로 전환시킬 수 있음을 입증하며, 가시광선 파장에서 초고속 비벌랜스 광학 조절이 가능하다. 이 방법은 나노초 시간 척도에서 디스크 공진기에서 25%의 조절 깊이를 달성하여 고해상도 다이렉틱 컬러 디스플레이 및 동적 웨이브프론트 제어에의 적용 가능성을 열어준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존에 빠른 결정화 동역학를 보였던 실리콘을 광학 응용 분야의 새로운 상변화 물질(PCM)로 탐색하고자 한다.
• 기존 PCM의 한계, 즉 가시광선 파장에서의 낮은 굴절률 반응 및 재료 열화 문제를 해결하고자 한다.
• 실리콘 나노구조를 이용하여 가시광선 영역에서 초고속 비벌랜스 광학 조절을 실현하고자 한다.
• 상공학을 적용한 실리콘을 이용한 다이렉틱 컬러 디스플레이 및 동적 웨이브프론트 제어 분야의 개념 증명 응용을 제시하고자 한다.
• 펄스 레이저 조사 조건 하에서 나노스케일 실리콘의 상전이가 반복 가능하고 안정적인지를 검증하고자 한다.

제안 방법

• 나노초 레이저 펄스를 이용해 나노스케일 실리콘 영역을 비가역적으로 암흑상태와 결정상태로 전환시키는 상전이를 유도한다.
• 상변화에 의한 굴절률 변화를 통해 비벌랜스 광학 조절을 실현한 디스크 공진기 구조를 사용한다.
• 나노초 시간 척도에서 상전이 동역학을 특성화하기 위해 시간 해상도가 높은 광학 측정을 수행한다.
• 색상 생성 및 웨이브프론트 조작을 위해 상공학을 적용한 실리콘 나노구조를 설계 및 제작한다.
• 실리콘의 가시광선 영역 내 내재된 광학적 특성을 활용하여 고대비, 조절 가능한 반응을 달성한다.
• 반복적인 레이저 사이클링 및 구조 분석을 통해 상전이의 반복성과 안정성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노초 시간 척도에서 나노스케일 실리콘은 암흑상태와 결정상태 사이에서 비가역적으로 전환될 수 있는가?
• RQ2 상변화 실리콘은 가시광선 파장에서 빛의 세기나 위상에 대해 뚜렷하고 비벌랜스적인 조절을 제공하는가?
• RQ3 상공학을 적용한 실리콘 나노구조는 고해상도 다이렉틱 컬러 디스플레이를 가능하게 하는가?
• RQ4 초고속 비가역적 상전이를 통해 실리콘에서 동적 웨이브프론트 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ5 반복적인 레이저 펄스 조사 조건 하에서 실리콘의 상전이는 안정적이고 반복 가능한가?

주요 결과

• 나노초 레이저 조사 조건 하에서 나노스케일 실리콘 영역은 암흑상태와 결정상태로의 비가역적 결정화 및 비정질화가 발생한다.
• 상변화 실리콘 기반의 디스크 공진기는 가시광선 파장에서 25%의 비벌랜스 광학 조절을 달성한다.
• 상전이 동역학은 나노초 시간 척도에서 발생하여 초고속 광학 스위칭이 가능하다.
• 공학적으로 설계된 실리콘 나노구조를 통해 고해상도 다이렉틱 컬러 생성이 가능하다.
• 개념 증명 실험을 통해 상변화된 실리콘 플랫폼을 이용한 동적 웨이브프론트 제어가 실현됨을 입증했다.
• 이 방법은 기존 PCM의 한계를 극복하여 가시광선 영역에서 효과적인 굴절률 대비를 실현한다.