[论文解读] 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 8

一句话总结

该论文展示了通过纳秒级激光脉冲可实现纳米尺度硅结构在非晶态与晶态之间的可逆相变，从而在可见光波段实现超快、非易失性光调制。该方法在纳秒 timescale 内实现了25%的调制深度，适用于盘形谐振腔，支持高分辨率介质彩色显示和动态波前调控。

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.

研究动机与目标

• 探索硅作为新型相变材料（PCM）在光子学应用中的潜力，尽管其传统上具有快速结晶动力学。
• 克服传统PCM的局限性，如在可见光波段折射率响应较差以及材料退化问题。
• 利用硅纳米结构在可见光谱范围内实现超快、非易失性光调制。
• 通过相位工程硅展示在介质彩色显示和动态波前调控中的概念验证应用。
• 通过重复激光循环和结构分析，验证纳米尺度硅在脉冲激光激发下的相变可逆性和稳定性。

提出的方法

• 利用纳秒激光脉冲照射纳米尺度硅结构，诱导其在非晶态与晶态之间发生可逆相变。
• 采用盘形谐振腔结构，通过相变引起的折射率变化实现非易失性光调制。
• 采用时间分辨光学测量技术，表征纳秒 timescale 上的相变动力学。
• 基于相位工程硅设计并制备用于颜色生成和波前调控的介质纳米结构。
• 利用硅在可见光波段的本征光学特性，实现高对比度、可调谐响应。
• 通过重复激光循环和结构分析，验证相变的可逆性和稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 纳米尺度硅是否能在纳秒 timescale 内实现非晶态与晶态之间的可逆相变？
• RQ2 相变硅是否能在可见光波段产生显著的、非易失性的光强或相位调制？
• RQ3 相位工程硅纳米结构是否能够实现高分辨率介质彩色显示？
• RQ4 能否利用硅中超快、可逆的相变实现动态波前调控？
• RQ5 硅中的相变在重复激光脉冲作用下是否稳定且可重复？

主要发现

• 通过脉冲激光激发，纳米尺度硅结构可在纳秒内实现可逆的结晶化与非晶化。
• 基于相变硅的盘形谐振腔在可见光波段实现了25%的非易失性光调制。
• 相变动力学发生在纳秒 timescale，支持超快光子开关。
• 该方法通过工程化硅纳米结构支持高分辨率介质色彩生成。
• 概念验证实验展示了利用相位调制硅平台实现动态波前调控。
• 该方法通过在可见光谱范围内实现有效的折射率对比，克服了传统PCM的局限性。