微纳尺度光开关是可集成光通讯、光计算器件以及激光雷达等新一代光信息设备实现应用的重要基础，因而受到广泛关注。然而，目前基于机械、电光以及声光调控实现的光开关普遍面临功耗大、开关比小、结构复杂、不易制备及难以集成等问题，限制了其在新兴微纳光学器件领域的发展。近年来，相变材料由于其相变前后显著的光学参数变化，成为微纳光开关设计中的热门材料。尤其是硫系相变材料，具有非易失相变的特性，使其不需要额外的外部驱动就可以维持相变状态，为低功耗、易制造和可集成的高性能光开关设计提供了全新思路。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心微加工实验室李俊杰研究员团队近几年围绕硫系相变材料及其微纳光学应用展开了系统的研究，并取得了一系列创新性的成果。该团队利用Ge2Sb2Te5的高损耗特性在紫外到近红外超宽波段内实现了一种超表面完美吸波器 [Laser Photonics Rev. 2023, 17, 2200364]；然后又通过几何相位梯度的优化设计实现了具有光子路由功能的动态调控双层超表面 [Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2310626]，验证了硫系相变材料在可调微纳光学器件中的应用潜力。该团队还撰写了综述文章 [Adv. Sci. 2024, 11, 2306344] 全面评述了硫系相变材料在可重构微纳光学器件方面的应用。
最近，该团队基于硫系相变材料设计了一种多层膜法布里-珀罗（F-P）腔光开关，首次将Ge2Sb2Se4Te（GSST）薄膜引入到F-P腔结构设计中。当GSST处于非晶态时，光开关满足F-P腔的驻波条件，光场局域增强导致共振波长处近零的反射率。当GSST相变为晶态时，其折射率发生显著变化，导致驻波条件无法满足，从而形成了很高的反射率。在此基础上，进一步优化设计光开关中抗反射层Al2O3、顶部反射层Au、介质复合层Al2O3/GSST/Al2O3和底部反射层Pt/Ti的厚度，最终实现了高开关比的光开关性能。结果表明，在1500nm的通讯波段，实验/模拟的最高开关比可达735/2410，比文献报道的结果提升了一个数量级。该工作将新型低损的硫系相变材料GSST引入F-P腔构建了超高开关比的光开关，其在光数据存储、信息加密和动态光调制等领域具有巨大的应用潜力，并将激励一系列先进微纳米级可重构光学器件的开发。
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图：a. GSST光开关结构及功能示意图; b. 不同GSST厚度下光开关的模拟开关比; c. 共振波长下GSST光开关的模拟电场图; d. 光开关SEM图像; e. 具有不同GSST厚度的光开关的实验开关比; f. 开关比和工作波长的温度依赖关系。
该工作以“Ge2Sb2Se4Te-based Optical Switch with Ultra-high Contrast Ratio by Multilayer Fabry-Perot Cavity”为题，于2月14日发表在《Advanced Science》上；硕士研究生汤志杨和博士研究生李晨圣（已毕业）为共同第一作者，李俊杰研究员和潘如豪副研究员为本文通讯作者，王博副研究员及杨海方研究员等参与了该工作。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院基础研究领域青年团队计划和北京市科技计划等项目及怀柔综合极端条件实验装置的支持。
编辑：yhc