Nano Letters: 非局部超表⾯中的高效热光开关和调制

论文信息：

Hui Jiang, Esha MaQbool, Yangjian Cai, and Zhanghua Han，Efficient Thermo-Optic Switching and Modulating in Nonlocal Metasurfaces,NANO LETTERS,(2024).

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03801

研究背景

非局域超表面中的高Q光共振受益于光与物质相互作用的显著增强，即使在微弱的外部刺激下也具有强响应。在这项工作中，我们利用光子晶体板(PCS)结构支持的准制导模式 (QGM) 的高Q共振来实现高效的光开关调制。实验测量的Q因子为2200的qgm是通过在硅板内的矩形晶格中每隔一列移动空气孔来实现的。在532nm连续波泵浦激光器的弱照明强度小于4.0W/cm2下，1550nm附近的 QGM 共振经历了明显的光谱移位，调制深度超过55%。这归因于泵浦激光器在硅中吸收引发的超表面光热加热引起的热光响应，电加热方法进一步验证了这一点。我们报告的结果展示了一种简单而有效的方法来剪裁光在非局部超表面中的传播。

研究内容

热光调制的思想如图(1a)所⽰。除了探针光外，还引⼊了波长为532nm的泵浦激光器，以不同的⼊射⻆照射超表⾯。选择较⼤光斑尺⼨(直径为4.6mm)，使泵浦激光器完全覆盖整个器件。由于泵浦光能的吸收，⾮局部超表⾯被加热，伴随的热光效应改变了活性硅层的折射率。在微弱的外部刺激下，探针光的透射率的有效调制是通过⼀个高Q的QGM共振的存在⽽实现的，该共振是由⼀个空孔硅超表⾯⽀持的。QGM具有空间扩展和光谱狭窄的特点，可以通过在原空⽳光⼦晶体板(PCS)结构中引⼊⼏何扰动使周期加倍并设计FBZ使GM⾊散线折叠成连续体来实现。图(1b)显⽰了微扰的实现，其中顶板显⽰了原晶格的单位胞，亚波长周期分别沿x和y⽅向为P和2P。如图所⽰，通过在PCS中引⼊间隙摄动，即通过ΔL移动每隔⼀列⽓孔的位置，使单元格在x⽅向上的周期增加⼀倍⾄2P，形成⽅形晶格。我们使用标准的纳⽶制造技术，通过在占地⾯积为4×4mm的硅光⼦晶体板上蚀刻周期性扰动的空⽓孔来制造⾮局部超表⾯器件。图(1c)中的俯视图扫描电⼦显微镜(SEM)图像显⽰了空⽓孔半径为115nm的制造结构。为了在实验上获得高对⽐度的通共振和⾮共振透射率，辐射Q因⼦应匹配吸收Q因子。

图1， 基于硅非局域超表面的自由空间热光调制器原理图。(a)硅层吸收泵浦光并被加热导致其折射率的变化，由于热光学效应和伴随的光谱移动的高Q共振。图中描绘了泵浦光存在时共振的红移。(b)两个未受扰动的PCS单元格(上)，当引入间隙扰动时，它们将合并为一个单元格(下)。(c)制造的间隙扰动超表面的俯视图SEM图像，比例尺:1μm。

图2，分别沿着kx(a)和ky(b)的波向量的带结构。在这两部分中，圈线和实线分别代表了未扰动和间隙扰动PCS的结果。

为了展⽰从GM到QGM的模态演化过程，我们利用软件COMSOL Multiphysics实现的3D有限元⽅法求解了结构的特征模态。图(2a,b)分别描绘了未扰动和间隙扰动PCS在FBZ中沿kx和ky⽅向的TE能带结构。未受扰动的PCS具有亚波长晶格，因此它⽀持感兴趣的光谱中具有光线以下⾊散带的良好约束GM，这意味着这些GM不能被⾃由空间激发。我们计算了三种GM的⾊散带，用不同颜⾊的填充圆表⽰。空⽓和硅之间的高折射率对⽐导致FBZ边界处有明显的带隙。在沿x轴引⼊间隙摄动后，原始周期在该⽅向上翻倍，导致相应的FBZ减半。图(2b)的插图简洁地说明了kx⽅向的FBZ如何从未受扰动PCS的ΓX′缩⼩到受扰动PCS的ΓX'。关键思想是先前位于FBZ边缘的GM可以折叠成光锥并转化为QGM，它们分别被标记为波段A,B和C。这些光学模式可以与⾃由空间辐射耦合，Q因⼦很容易由扰动参数ΔL控制。

图3. xz平⾯内0°、2°、4°和6°不同⼊射⻆下的模拟。(a)和实验测量。(b)透射光谱。

图4，基于QGM的热光调制。(a)当样品被532nm泵浦激光器照射时，实验观察到明显的共振红移，当泵浦功率强度增加时，这种红移更为显著。(b)不同泵浦激光强度下1553.1nm⼯作波长处的反演透射率。(c)从实验结果中检索到的作为泵浦强度函数的共振位移。⿊线表⽰数据的线性拟合。(d)使用不同的电控样品加热⽅法在不同温度下测量的透射率光谱。

图(3a)的模拟透射光谱显⽰了⼀组谱宽几乎相同的尖锐QGM，它们在x-z平⾯内被不同⼊射⻆的y偏振平⾯波激发。在实验中，制备的超表⾯被加载到4D样品台上，以调整xyz的空间坐标和θ的⼊射⻆。通过将传输的信号归⼀化为通过裸蓝宝⽯衬底的信号，我们获得了测量的透射率光谱，如图(3b)所⽰。在不同⼊射角下获得所有这些共振的Q因⼦约为2200。QGM的光谱调谐效应和高Q因⼦稳定性⼊射角与我们的模拟结果⾮常吻合(图3a、b)。在图(3b)的实验结果中观察到⼀些较弱和较宽的共振，这些共振在数值结果中没有出现图(3a)。我们进⼀步通过实验证明了选择正⼊射激发的QGM作为探针的热光开关性能。1550nm波长处硅折射率的实部和虚部随温度的变化关系，以及计算得到的不同温度变化下QGM共振的谱移。硅温度的提高可以通过多种⽅式实现，其中光学和电学⽅法仍然是最简单的。由于硅在可见光波段具有⾮零的欧姆损耗，因此可以很容易地在可见光波段被泵浦激光加热。在我们的实验中，我们在测量系统中引⼊了532nmCW激光，通过光热效应照射制造的样品并加热它。

图(4a)显⽰了在正⼊射下增加泵浦激光强度时的QGM响应，其中观察到共振向较长波⽅向移动，并伴有轻微的⾮共振透射率增加。很明显，在功率强度增加的情况下，共振已逐渐从其原始状态失谐。我们选择探针波长为1553.1nm，为正⼊射QGM共振。然后从透射光谱的测量数据中提取该波长处的归⼀化透射率。绘制的结果作为泵浦激光强度的函数如图(4b)所⽰，说明了动态热光调制。如果我们将调制深度定义为ηmax=ΔT/Tmax，其中ΔT=Tmax−Tmin为总透射率变化，可以看到可以很容易地实现ηmax≈80%的最⼤调制深度。图(4c)给出了提取出来的共振位移对泵浦激光强度的依赖关系，其中的⿊⾊实线表⽰线性拟合。在泵浦激光强度为0~3.8W/cm2范围内进⾏的透射光谱测量表明，共振波长可移位⾄0.8nm。为了进⼀步验证我们观察到的共振位移主要是由热光学效应引起的，我们切换到电加热⽅法。利用温控平台对样品进⾏加热，在室温和35℃、40℃、45℃下测量共振光谱，再次观察到QGM共振的红移，得到的透射光谱如图(4d)所⽰。发现了0.08nm/K的超灵敏热光光谱位移，这表明温度升高10K足以使QGM共振完全远离原始位置。这些结果充分证实了我们关于光谱位移起源的说法。最后，我们对我们的⼯作与现有结构的热光开关性能进⾏了⽐较分析，包括等离⼦体超表⾯、⽶氏和QBIC超表⾯。

表1. 不同物理机制下热光开关性能⽐较

为了实现有效的光开关，等离子体和⽶⽒局部超表⾯中的低Q共振需要⼤的温度变化和⼯作波长，并⽀持共振匹配以增强光/物质相互作用。局部超表⾯开关通常受到制造后固定共振的限制，影响与现有激光器的波长兼容性。等离⼦共振虽然具有宽带宽，但缺乏可调性，⽽具有多极共振的⽶⽒超表⾯在多个波长上提供灵活性。然⽽，即使使用PbTe等先进材料，它也表现出较差的热光开关对⽐度和激光波长兼容性。QBIC超表⾯的高Q特定于近bic波长点，因此波长兼容性较差。我们的研究利用QGM优异的空间⾊散和强⼤的Q因⼦，使⼊射角调谐能够与各种激光器对齐共振，以实现⼀致的开关。

结论与展望

在本研究中，由于实验室的可用性，我们选择了532nm的泵浦激光器。硅的有损特性导致除了⼀些典型的Fabry-Perot⾏为外，共振不太明显。因此，为了最⼤限度地发挥光热效应并优化开关，在考虑激光器的可及性和实用性以及输出功率的同时，更可取的是具有更高吸收率的更短的泵浦波长。我们的热光开关通过消除⾦属电极，避免变形和性能下降，简化晶圆加⼯，降低与超表⾯的集成复杂性，以及增强光开关的鲁棒性和效率来优于电光开关。热光开关的主要问题是其相对较慢的响应。虽然我们的⼯作利用CW激光泵浦或直流加热进⾏有效调制，但切换到脉冲激光激发可以在硅层中实现瞬态温度控制，快速诱导温度变化并加速切换过程，⽽不会影响性能。先前对单硅光⼦结构的脉冲激光研究报告了在纳秒数量级的瞬态热弛豫时间，而我们的模拟揭⽰了⾮局部超表⾯的亚微秒热弛豫时间。这表明热光开关具有MHz操作速度能⼒，适用于低速光学元件。此外，微⼩的温度变化有效地控制了QGM响应，为调制⾮局部元表⾯提供了⼀种简单的⽅法，在可重构图像处理、模拟光学计算、和热控光束扫描等领域具有⼴阔的应用前景。

热辐射与微纳光子学