基于相变材料的可调慢光器件、其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于相变材料的可调慢光器件，所述可调慢光器件包括自下而上依次设置的介质衬底、相变材料、介质保护层和金属结构。还提供了该可调慢光器件的制备方法和应用。本发明专利技术将相变材料和金属周期性图案结构相结合，借助相变材料自身介电常数变化频率范围广、变化量大以及相变条件多样的优势，使得器件通过光、电、热等多种外部激励手段实现慢光的调控。此外该器件还具有集成度高、工作频率范围广、加工灵活的特点。

Tunable slow light device based on phase change material, its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
基于相变材料的可调慢光器件、其制备方法和应用
本专利技术涉及光学器件领域，具体涉及一种基于相变材料的可调慢光器件及其制备方法和应用。
技术介绍
慢光效应是存在于高色散器件及媒质中的一种反常物理现象。实现慢光的方法之一在于，在介质材料上设计周期性结构，利用结构的共振引起谐振中心群速度的巨变进而产生慢光。其中最常用手段的即电磁诱导透明(EIT)技术，所选用的结构即类EIT结构。目前，慢光效应在量子光学、非线性光学等科学领域以及光信息存储、光学开关等应用领域都有独特的研究和实用价值。近年来，可调制的慢光器件一直备受人们关注。此类器件通过与可调制的材料或者器件进行集成，实现对慢光效应的控制。该可调制材料包括，硅、石墨烯、相变材料等。可调制慢光器件对于实用形器件的推广以及对于深入研究光与物质相互作用的本质和强非线性光学方面具有重要意义。目前，现有的慢光器件多局限于不可调制的被动器件，即器件一旦制作完成，其性能固定不变，没有调制空间，这对慢光的实际应用带来巨大的限制。在少数的部分可调慢光器件中，受到材料选择、器件制备方法等因素的制约，器件调制波段有限、调制手段单一，也不利于慢光器件的集成及应用。以上的问题严重限制了慢光器件的进一步推广，因此需要采取新的方法获得宽频谱范围、多方法的可调慢光器件。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种基于相变材料的可调慢光器件及其制备方法和应用。在阐述本专利技术的技术方案之前，定义本文中所使用的术语如下：术语“相变材料”是指：在光、电、热等外部激励下介电常数可以发生明显改变的材料。术语“GST”是指：锗锑碲三元硫族化合物。术语“EIT”是指：电磁诱导透明。术语“ITO”是指：氧化铟锡。术语“类EIT“石碑型”构型”是指：”石碑型”构型特制由平面内一个水平金属棒和其下方的一对竖向金属对构成的超表面结构。为实现上述目的，本专利技术的第一方面提供了一种基于相变材料的可调慢光器件，所述可调慢光器件包括自下而上依次设置的介质衬底、相变材料、介质保护层和金属结构；其中，所述介质衬底表面为周期性条带结构且所述介质衬底上具有凹槽，所述相变材料定位生长于所述凹槽内，所述介质保护层设置于所述相变材料上且填充于所述凹槽内，所述相变材料与所述介质保护层的厚度之和等于所述凹槽的深度，且所述金属结构为类EIT“石碑型”构型。根据本专利技术第一方面的可调慢光器件，其中，所述金属结构由单根横向电偶极子金属棒和一对竖向电四极子金属对组成；和/或所述横向电偶极子金属棒设置于所述介质衬底的凹槽边缘上，所述电四极子金属对设置于所述介质保护层上。根据本专利技术第一方面的可调慢光器件，其中，所述竖向金属对的长度方向中心与所述条带宽度方向中心对准。根据本专利技术第一方面的可调慢光器件，其中，所述介质衬底材料选自以下一种或多种：石英、硅片、蓝宝石，优选为石英；所述相变材料选自以下一种或多种：GST、VO2，优选为GST；所述介质保护层材料选自以下一种或多种：氧化硅、ITO、氧化铝，优选为ITO；和/或所述金属结构材料选自以下一种或多种：金、银、铝、铬、铂、铜，优选为金。本专利技术的第二方面提供了第一方面所述的可调慢光器件的制备方法，该制备方法可以包括以下步骤：(1)在介质衬底表面制备周期性条带结构；(2)将步骤(1)所得的周期性条带上结构刻蚀出条带的凹槽结构；(3)在步骤(2)所得的凹槽中依次沉积相变材料薄膜以及介质保护层，并进行溶脱；(4)将步骤(3)所得结构旋涂光刻胶，并通过套刻手段制备出预定周期性图案；(5)在步骤(4)所得结构上沉积金属薄膜，并进行溶脱，得到所述可调慢光器件。根据本专利技术第二方面的制备方法，其中，步骤(1)中，所述制备方法包括：在介质衬底上旋涂光刻胶，通过曝光获得所述周期性条带结构。根据本专利技术第二方面的制备方法，其中，步骤(2)中，所述刻蚀方法为干法刻蚀或物理化学方法刻蚀，优选为反应离子刻蚀；和/或步骤(3)中，所述沉积方法为物理沉积方法或化学沉积方法，优选为磁控溅射法。根据本专利技术第二方面的制备方法，其中，步骤(4)中，所述套刻方法选自以下一种或多种：电子束曝光、紫外曝光、激光直写，优选为电子束曝光。本专利技术的第三方面提供了一种可调慢光设备，所述设备包括如第一方面所述的可调慢光器件。本专利技术的第四方面提供了第一方面所述的可调慢光器件在制备光信息存储设备和/或光学开关中的应用。本专利技术的目的是提供一种基于相变材料的多方法可调的慢光器件，该器件可以通过光、电、热等多种外部激励手段起到慢光调制的目的。本专利技术提供了了一种基于相变材料的可调慢光器件及其制备方法，所述的可调慢光器件包括：介质衬底；在所述介质衬底上刻蚀出的凹槽以及在凹槽内定位生长的相变材料；设置在所述相变材料上的透明介质保护层；以及设置在所述衬底及保护层上的金属结构。本专利技术将相变材料和金属周期性图案结构相结合，借助相变材料自身介电常数变化频率范围广、变化量大以及相变条件多样的优势，使得器件通过光、电、热等多种外部激励手段实现慢光的调控。此外该器件还具有集成度高、工作频率范围广、加工灵活的特点。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种可调的慢光器件的制备方法，其步骤包括：S1.在洁净透光的介质衬底上旋涂光刻胶，并通过曝光等途径获得周期性条带结构；S2.将S1所述的周期性条带结构刻蚀出条带的凹槽结构；S3.在S2所述的由周期性条带结构刻蚀得到的条带凹槽中沉积相变材料薄膜以及介质保护层，并进行溶脱；S4.将S3所述结构再次旋涂光刻胶，并通过套刻制备出预定的周期性图案；S5.在S4所述结构上沉积金属薄膜，并进行溶脱，获得最终的可调慢光器件。可选地，S1中所述的介质衬底为在所需响应波段可以透光的低损耗介质，包括石英、硅片、蓝宝石衬底等。可选地，S1及S4中所述光刻胶为电子束光刻胶中的一种，也可以是紫外光刻胶中的一种。可选地，S2中所述刻蚀为采用干法刻蚀技术或物理化学刻蚀。可选地，S3中所述的相变材料指在光、电、热等外部激励下介电常数可以发生改变的材料，例如GST、VO2等。可选地，S3中所述的相变材料的沉积方法包括物理沉积方法或化学气相沉积方法进行沉积。可选地，S3中所述的介质保护层指可以对相变材料进行保护，以防止其在相变过程中发生不必要的变性的材料，且要求保护层在所需响应波段透光率高、损耗低，例如氧化硅、ITO、氧化铝等。可选地，S3中所述的介质保护层的沉积方法包括物理沉积方法或化学气相沉积方法进行沉积。可选地，S4中所述的套刻可以通过电子束曝光、紫外曝光、激光直写等微纳加工技术实现。可选地，S4中所述的预定图案为“石碑型”结构，且其竖向金属对的长度方向中心与S1中所述条带宽度方向中心对准。可选地，S5中所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相变材料的可调慢光器件，其特征在于，所述可调慢光器件包括自下而上依次设置的介质衬底、相变材料、介质保护层和金属结构；/n其中，所述介质衬底表面为周期性条带结构且所述介质衬底上具有凹槽，所述相变材料定位生长于所述凹槽内，所述介质保护层设置于所述相变材料上且填充于所述凹槽内，所述相变材料与所述介质保护层的厚度之和等于所述凹槽的深度，且所述金属结构为类EIT“石碑型”构型。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于相变材料的可调慢光器件，其特征在于，所述可调慢光器件包括自下而上依次设置的介质衬底、相变材料、介质保护层和金属结构；
其中，所述介质衬底表面为周期性条带结构且所述介质衬底上具有凹槽，所述相变材料定位生长于所述凹槽内，所述介质保护层设置于所述相变材料上且填充于所述凹槽内，所述相变材料与所述介质保护层的厚度之和等于所述凹槽的深度，且所述金属结构为类EIT“石碑型”构型。


2.根据权利要求1所述的可调慢光器件，其特征在于，所述金属结构由单根横向电偶极子金属棒和一对竖向电四极子金属对组成；和/或
所述横向电偶极子金属棒设置于所述介质衬底的凹槽边缘上，所述电四极子金属对设置于所述介质保护层上。


3.根据权利要求1或2所述的可调慢光器件，其特征在于，所述竖向金属对的长度方向中心与所述条带宽度方向中心对准。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的可调慢光器件，其特征在于，所述介质衬底材料选自以下一种或多种：石英、硅片、蓝宝石，优选为石英；
所述相变材料选自以下一种或多种：GST、VO2，优选为GST；
所述介质保护层材料选自以下一种或多种：氧化硅、ITO、氧化铝，优选为ITO；和/或
所述金属结构材料选自以下一种或多种：金、银、铝、铬、铂、铜，优选为金。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的可...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾长志，李策，朱维，张忠山，李俊杰，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11