[论文解读] Non-volatile Phase-only Transmissive Spatial Light Modulators

Zhuoran Fang, Rui Chen+15 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2023

Optical Polarization and EllipsometryEngineering被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种基于低损耗相变材料（Sb2Se3）与高Q值双原子超表面耦合的非易失性、透射式空间光调制器，实现了红外光的电可编程、纯相位调制。该器件在单个像素上实现了约0.25π（模拟）和约0.2π（实验）的相位偏移，具备非易失性、超过1,000次循环的耐久性，并通过独立像素控制实现了可调的远场光束整形。

ABSTRACT

Free-space modulation of light is crucial for many applications, from light detection and ranging to virtual or augmented reality. Traditional means of modulating free-space light involves spatial light modulators based on liquid crystals and microelectromechanical systems, which are bulky, have large pixel areas (~10 micron x 10 micron), and require high driving voltage. Recent progress in meta-optics has shown promise to circumvent some of the limitations. By integrating active materials with sub-wavelength pixels in a meta-optic, the power consumption can be dramatically reduced while achieving a faster speed. However, these reconfiguration methods are volatile and hence require constant application of control signals, leading to phase jitter and crosstalk. Additionally, to control a large number of pixels, it is essential to implement a memory within each pixel to have a tractable number of control signals. Here, we develop a device with nonvolatile, electrically programmable, phase-only modulation of free-space infrared radiation in transmission using the low-loss phase-change material (PCM) Sb2Se3. By coupling an ultra-thin PCM layer to a high quality (Q)-factor (Q~406) diatomic metasurface, we demonstrate a phase-only modulation of ~0.25pi (~0.2pi) in simulation (experiment), ten times larger than a bare PCM layer of the same thickness. The device shows excellent endurance over 1,000 switching cycles. We then advance the device geometry, to enable independent control of 17 meta-molecules, achieving ten deterministic resonance levels with a 2pi phase shift. By independently controlling the phase delay of pixels, we further show tunable far-field beam shaping. Our work paves the way to realizing non-volatile transmissive phase-only spatial light modulators.

研究动机与目标

• 解决自由空间光学生系统中传统易失性、高电压、体积庞大的空间光调制器的局限性。
• 实现非易失性、电可编程的纯相位红外光调制，以实现低功耗且稳定的运行。
• 在像素级别集成存储功能，以降低大规模阵列中控制信号的复杂度。
• 实现高保真度的相位调制，同时具备极低串扰和低功耗特性。
• 通过独立控制元分子，实现可调的远场光束整形。

提出的方法

• 该器件采用薄层Sb2Se3相变材料与高Q值因子（Q ~ 406）的双原子超表面集成，以提升相位调制效率。
• 通过设计使超表面支持高Q共振，显著增强相变材料引起的相位偏移，而无需增加厚度。
• 通过利用Sb2Se3的稳定非晶态与晶态，实现非易失性操作，断电后仍能保持其状态。
• 通过局部电脉冲独立编程每个元分子的相位状态，实现像素级控制。
• 器件结构设计支持17个独立可调的元分子，每个元分子可实现十个确定性的共振级，相位范围达2π。
• 通过程序化相位延迟的空间分布调控，实现阵列上相位分布的定制化，从而实现远场光束整形。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用相变材料与高Q值超表面实现非易失性、纯相位调制的透射式空间光调制器？
• RQ2 通过超表面耦合，能否显著提升相位调制深度，使其远超裸相变材料层？
• RQ3 该器件能否在断电后保持稳定的相位状态，从而实现低功耗运行？
• RQ4 能否在可扩展阵列结构中实现独立像素控制，以支持复杂的波前整形？
• RQ5 能否通过程序化相位分布实现可调的远场光束整形？

主要发现

• 器件在单个像素上实现了约0.25π（模拟）和约0.2π（实验）的相位偏移，是相同厚度裸Sb2Se3层的十倍以上。
• 超表面表现出高Q值因子（Q ~ 406），显著提升了相变材料的相位调制效率。
• 器件在超过1,000次开关循环中保持稳定相位状态，证实了其非易失性与结构鲁棒性。
• 器件支持17个元分子的独立控制，每个元分子可实现十个确定性的相位级，相位范围达2π。
• 通过在阵列上编程不同的相位延迟，实验验证了可调的远场光束整形。
• Sb2Se3与高Q值超表面的集成实现了红外波段低损耗、透射式、纯相位调制。