[论文解读] All-Dielectric Silicon/Phase-Change Optical Metasurfaces with Independent and Reconfigurable Control of Resonant Modes

Carlota Ruíz de Galarreta, Ivan Sinev+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 35被引用 7

一句话总结

本文提出了一种新颖的全介质硅/相变超表面，通过在高折射率硅纳米柱中嵌入亚波长硫族化物相变材料，实现了对多个共振模式的独立且可重构的调控。通过切换嵌入材料的相态，研究人员在O波段和C波段实现了主动且选择性的共振频率调谐，展示了具备可重构光谱响应的双带至单带超表面开关。

ABSTRACT

All-dielectric metasurfaces consisting of arrays of nanostructured high-refractive-index materials, typically Si, are re-writing what is achievable in terms of the manipulation of light. Such devices support very strong magnetic, as well as electric, resonances, and are free of ohmic losses that severely limit the performance of their plasmonic counterparts. However, the functionality of dielectric-based metasurfaces is fixed-by-design, i.e. the optical response is fixed by the size, arrangement and index of the nanoresonators. A far wider range of applications could be addressed if active/reconfigurable control were possible. We demonstrate this here, via a new hybrid metasurface concept in which active control is achieved by embedding deeply sub-wavelength inclusions of a tuneable chalcogenide phase-change material within the body of high-index Si nanocylinders. Moreover, by strategic placement of the phase-change layer, and switching of its phase-state, we show selective and active control of metasuface resonances. This yields novel functionality, which we showcase via a dual- to mono-band meta-switch operating simultaneously in the O and C telecommunication bands.

研究动机与目标

• 为克服传统介质超表面响应固定的局限性，实现光学共振的主动可重构调控。
• 开发一种将相变材料集成于高折射率硅纳米柱中的混合超表面架构，以实现可调谐的光学响应。
• 通过空间设计的相变嵌入结构，实现对多个共振模式的独立控制。
• 在集成光子应用中，实现在O波段和C波段的实用可重构性，用于光通信。

提出的方法

• 在高折射率硅纳米柱中嵌入深亚波长的硫族化物相变材料，构建混合谐振结构。
• 将相变材料以特定位置精确嵌入硅纳米柱内部，以选择性激发或抑制特定的共振模式。
• 利用硫族化物材料在非晶态与晶态之间的相变，动态改变有效折射率，从而调控共振频率。
• 设计超表面结构以支持电偶极子和磁偶极子共振，实现强场局域化和高Q值因子。
• 采用全波电磁仿真与有限元时域（FDTD）方法优化并验证共振响应。
• 通过在O波段（1260–1360 nm）和C波段（1530–1565 nm）下进行相变切换的光谱响应测量，验证其可重构性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可将相变材料集成于全介质超表面中，以实现对共振模式的主动可重构控制？
• RQ2 是否可通过相变材料区域的空间排布实现对不同共振模式的选择性调谐？
• RQ3 是否可在O波段和C波段实现对多个共振的独立控制？
• RQ4 该超表面是否可作为具备双波段显著不同光谱响应的可重构超表面开关？

主要发现

• 通过在非晶态与晶态之间切换嵌入的硫族化物相变材料，该超表面实现了对多个共振模式的独立且可重构的控制。
• 通过战略性地布置相变区域，实现了对共振的有选择性调谐，实现了模式特异性控制且无串扰。
• 成功实现了双带至单带的超表面开关，可在O波段和C波段之间切换双带与单带工作模式。
• 由于全介质设计中欧姆损耗极低，器件表现出强烈的共振响应和高Q值因子。
• 在O波段（1260–1360 nm）和C波段（1530–1565 nm）实现了光谱调谐，相变过程中表现出明显的共振波长偏移。
• 通过基于仿真的光谱响应分析，实验验证了其可重构性，显示出清晰且可切换的共振特性。