基于Sb2S3相变材料的可重构光学滤波器腔：面向可见与红外光谱应用

《Advanced Photonics Research》：Sb2S3-Based Reconfigurable Optical Filter Cavity for Applications in the Visible and Infrared Spectrum

为克服传统相变材料（如GST）在可重构吸收器中存在的高光学损耗、有限光谱覆盖和结构复杂等问题，研究人员创新性地利用低损耗的Sb2S3设计了一种金属-Sb2S3-金属三层Fabry–Pérot（FP）谐振腔。实验结果表明，该结构在可见光与近红外光谱范围内实现了近完美吸收，并通过Sb2S3的非晶态与晶态之间的可逆相变，实现了吸收峰位置的大范围、可重构调谐。该工作为集成光子学中的动态可调滤波器、光开关和传感器等应用提供了一种高性能、结构简单的新平台。

　　

在信息技术飞速发展的今天，如何高效地操控、存储和传输信号成为了核心挑战。光子系统以其高带宽和低传输损耗的优势，在高速数据传输领域备受青睐；而电子系统则在数据存储和处理方面占据主导。然而，两者之间一直缺乏一种能够将光的高速传输与电的可控存储特性完美融合的桥梁。相变材料（Phase-Change Materials, PCMs）的出现，为这一难题带来了转机。这类材料能够在外部刺激（如热、电或光脉冲）下，在非晶态和晶态之间可逆切换，并伴随其光学和电学性质的显著变化，这使得它们成为实现非易失性光子存储和动态可调谐光子器件的理想候选者。

传统上，以Ge₂Sb₂Te₅（GST）为代表的硫系化合物PCMs被广泛研究，但它们通常伴随着较高的本征光学损耗。这种高损耗虽然有助于实现高吸收，但也导致了不可避免的插入损耗，并限制了器件作为可重构滤波器的光谱选择性和调谐精度。因此，开发一种兼具低损耗、宽带可调谐、结构简单且易于集成的PCMs平台，成为了纳米光子学领域一个亟待突破的关键问题。

为此，研究人员将目光投向了一种新型低损耗相变材料——三硫化二锑（Sb₂S₃）。相较于GST，Sb₂S₃在可见光和近红外波段具有显著降低的光学损耗。这一特性使得基于它的光学器件，其吸收行为能够更多地由谐振腔的干涉效应精确调控，而非受制于材料本身的损耗，从而为实现高性能、光谱选择性的可重构吸收器开辟了新途径。

在本研究中，发表于《Advanced Photonics Research》的论文团队，正是围绕这一目标，开展了一项从设计、制备到全面表征的系统性工作。他们旨在验证利用低损耗Sb₂S₃构建的Fabry–Pérot（FP）谐振腔，能否在可见光到近红外的宽光谱范围内，实现高吸收效率、大范围光谱调谐、角度不敏感且结构简单的可重构吸收功能。

研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几个关键技术方法：首先，他们设计了金属-Sb₂S₃-金属三层FP腔结构，并通过频域模拟软件对该结构的光学响应（如反射谱）进行了系统的模拟与参数优化，以确定实现临界耦合（critical coupling）的最佳层厚。其次，他们采用热蒸发和电子束蒸发等物理气相沉积技术，在硅衬底上依次制备了底层金（100纳米）、Sb₂S₃（139纳米）和顶层金（18纳米）薄膜，并通过后退火处理诱导Sb₂S₃从非晶态转变为晶态。再者，他们利用傅里叶空间反射率测量和光谱椭偏仪两种先进的表征手段，分别测量了样品在不同入射角和偏振态下的光谱反射率，以及薄膜的椭偏参数Ψ和Δ，从而直接获取了器件光学响应和材料复折射率的完整信息，实现了理论与实验的相互验证。

研究结果：

1. 结构与设计原理

研究团队设计了一种结构简单的三层法布里-珀罗（FP）谐振腔，其构成为“金-Sb₂S₃-金”。其工作原理基于FP腔内的多光束干涉。当入射光在由两个高反射金属层构成的腔内往返传播时，若累积的往返相位满足共振条件，则会发生相长干涉，导致光被局域在腔内。通过精心设计顶层金膜的厚度（作为半透明镜）和Sb₂S₃间隔层的厚度，可以实现“临界耦合”条件，即腔内的本征损耗与向外的辐射泄漏达到完美平衡，从而使特定波长的入射光被近乎完全吸收。研究人员通过模拟优化，最终确定了顶层金为18纳米，Sb₂S₃层为139纳米的最佳结构参数。

2. 光谱响应与可调谐性

模拟和实验结果均清晰地表明，该结构在Sb₂S₃处于非晶态和晶态时，均在可见光和近红外区域表现出尖锐的反射极小值（即吸收峰）。在非晶态下，两个主要的吸收峰（λ₁和λ₂）分别位于约625纳米和1150纳米。当Sb₂S₃转变为晶态后，这两个吸收峰发生了显著的红移，分别移动至约800纳米和1450纳米。这种大范围的光谱调谐（分别达到约150纳米和280纳米）直接源于Sb₂S₃相变前后复折射率的巨大变化。实验测量证实，在非晶态下，器件在共振波长处实现了接近完美的吸收（反射率极低），而在晶态下，吸收峰的强度虽略有下降，但调谐效果非常明显，验证了该器件作为可重构滤波器的潜力。

3. 角度与偏振特性

为了评估器件的实用性，研究人员系统分析了其角度依赖性和偏振敏感性。他们绘制了在不同入射角和偏振（s偏振和p偏振）下，反射率随波长变化的二维图谱。结果表明，无论是非晶态还是晶态，在高达约60度的入射角范围内，吸收峰的位置和强度都保持了良好的稳定性。这意味着该吸收器具有“准全向”的工作特性，对入射光的角度不敏感，这在实际应用中是一个巨大优势，因为它放宽了对光源或探测器对准精度的苛刻要求。同时，研究也观察到s偏振和p偏振光下的响应存在差异，这为偏振敏感的光学应用提供了可能。

4. 实验表征与模型验证

研究通过光谱椭偏测量精确反演了制备样品的实际层厚。拟合结果显示，Sb₂S₃层在晶化后厚度从约133.5纳米减小至128纳米，这与材料晶化过程中的致密化现象相符。顶层金膜的厚度约为17纳米，与设计值接近。更重要的是，基于实测光学常数和拟合厚度的理论模型，与实验测得的椭偏参数（Ψ, Δ, Is, Ic）及反射光谱均高度吻合，这强有力地验证了设计模型的准确性，并说明了器件性能的波动主要源于制备工艺导致的微小尺寸偏差，而非原理性缺陷。

研究结论与讨论：

本项研究成功设计、制备并表征了一种基于低损耗相变材料Sb₂S₃的可重构近完美吸收器。该器件采用简单的金属-绝缘体-金属FP腔结构，无需复杂的光刻图案化或分布式布拉格反射镜。其核心创新和重要意义体现在以下几个方面：

首先，材料创新：本研究率先将低损耗的Sb₂S₃应用于可重构FP吸收腔，有效克服了传统GST等高损耗PCMs带来的高插入损耗和光谱选择性差的问题。在Sb₂S₃中，吸收主要由腔内的干涉和临界耦合效应决定，而非材料本征损耗，这为实现尖锐、可控的光谱响应奠定了基础。

其次，性能卓越：器件在单一平面结构中同时支持从可见光到近红外（400-2000纳米）的双谐振模，并通过相变实现了每个谐振峰超过150纳米的大范围、可逆光谱调谐。同时，器件在宽入射角范围内（高达60度）性能稳定，兼具光谱选择性和角度不敏感性。

最后，验证全面：研究不仅通过模拟进行了系统设计，还通过傅里叶空间反射率测量和光谱椭偏术进行了全面的实验表征，直接测量了振幅、相位、偏振和角度分辨的光学响应，理论与实验的高度一致证明了该平台的可靠性和实用性。

综上所述，这项工作为基于相变材料的可重构纳米光子器件树立了一个新的标杆。它成功地将结构简单、宽带可调谐、低损耗和高光谱选择性等优点结合在一起，为未来在集成光学、动态可调滤波器、光学开关、传感以及光子存储器等领域的应用提供了极具潜力的解决方案，推动了低损耗相变材料在主动光子学中的实际应用进程。