宋睿睿 鄧欽玲 周紹林?

1) (華南理工大學(xué)微電子學(xué)院,廣州 510640)

2) (琶洲實(shí)驗(yàn)室,廣州 510335)

針對(duì)超表面相位調(diào)控中的無(wú)源及離散特性,本文擬將等寬懸鏈線超構(gòu)單元與非易失性相變介質(zhì)結(jié)合,探索研究一種高效連續(xù)相位調(diào)制的雙穩(wěn)態(tài)相變有源波前超構(gòu)開(kāi)關(guān).首先在9—10 μm之間的寬帶中紅外波段實(shí)現(xiàn)了可動(dòng)態(tài)切換的波前偏轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān);當(dāng)相變層在非晶態(tài)和晶態(tài)之間切換時(shí),入射光波前分別呈現(xiàn)異常反射和正常的鏡面反射,即“開(kāi)”或“關(guān)”兩個(gè)偏轉(zhuǎn)狀態(tài).其次展示了一種可動(dòng)態(tài)切換的高階貝塞爾光束開(kāi)關(guān):非晶態(tài)時(shí),9.6 μm波長(zhǎng)垂直入射下交叉極化轉(zhuǎn)換效率接近100%,產(chǎn)生正常的幾何相位調(diào)控與二階貝塞爾聚焦,即“開(kāi)”態(tài);而相變至晶態(tài)時(shí),交叉極化與幾何相位調(diào)控被“關(guān)”閉.本質(zhì)上,自旋-軌道相互作用具有無(wú)色散的相位調(diào)控保證了該類(lèi)器件的寬波段工作特性,在未來(lái)的有源光電子集成、光通訊等應(yīng)用領(lǐng)域中具有重大潛力.

1 引言

截止目前,多功能高效電磁控制仍然是一個(gè)永恒的話題,涵蓋從可見(jiàn)光到微波以下的波段.作為平面或二維(2D)超材料,超表面具有深亞波長(zhǎng)厚度,近十年來(lái)幾乎應(yīng)用于任意電磁調(diào)控中,其超薄特性有利于緊湊架構(gòu)的光電集成.與傳統(tǒng)光子器件不同,超表面旨在通過(guò)周期性或隨機(jī)分布的亞波長(zhǎng)亞原子,例如納米棒、納米光柵、納米梯形、懸鏈線、LC諧振單元、開(kāi)口諧振環(huán)等,以逐像素的方式調(diào)節(jié)入射光振幅、相位和偏振態(tài),引入可控的局部相位與振幅突變,取代傳統(tǒng)方法通過(guò)3D分布調(diào)節(jié)傳輸相位[1].已報(bào)道的各類(lèi)平面納光子器件涵蓋可見(jiàn)光到太赫茲波段,如貝塞爾光束發(fā)生器[2?5]、全息超表面[6?9]和超透鏡[10?12]等.特別是由于局部突變相位,在亞波長(zhǎng)尺度上實(shí)現(xiàn)了相位分布的任意控制.在基于共振相互作用的傳統(tǒng)等離子體超表面中[13?15],所產(chǎn)生的相位延遲高度色散.為了獲得無(wú)色散的相位調(diào)制,各向異性元件中的偏振轉(zhuǎn)換得到廣泛研究,例如眾所周知的Pancharatnam-Berry(P-B)相位[16,17].基于幾何相位的超構(gòu)器件可以實(shí)現(xiàn)靈活和多功能的波前調(diào)控,但仍然存在一些可解決的問(wèn)題.

首先是器件的無(wú)源特性,導(dǎo)致其缺乏可重構(gòu)或動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制.因此,人們?cè)诔砻婊A(chǔ)上引入有源介質(zhì)材料或動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制,實(shí)現(xiàn)有源的多功能光子器件,如微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)[18]、二維材料(如石墨烯[19]、二硫化鉬(MoS2)[20]等)、液晶[21]、半導(dǎo)體[22]和相變材料[23,24]等.其中,硫系化合物是一種很有前景的相變材料,尤其是其非易失性、便于工藝集成等優(yōu)勢(shì),為新型有源光子器件提供了有效途徑.具體來(lái)說(shuō),GeSbTe合金作為一種典型的相變材料已經(jīng)在光盤(pán)存儲(chǔ)中使用了多年[25,26],最近廣泛用于構(gòu)建可重構(gòu)光子器件[27?29].GeSbTe合金可以通過(guò)適當(dāng)?shù)碾奫30]、光[31]或熱[32]等激勵(lì)在非晶態(tài)、晶態(tài)及中間狀態(tài)間可逆切換.此外,由于狀態(tài)之間的高折射率對(duì)比度以及近中紅外光譜范圍內(nèi)的低損耗,GeSbTe合金是可重構(gòu)器件的理想材料,如動(dòng)態(tài)全息[33]、菲涅耳波帶片[34]、超透鏡[35,36].

其次,根據(jù)衍射理論[37],有限且不連續(xù)的空間相位采樣對(duì)于大角度均勻偏折或光彎曲是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn).為了克服離散超構(gòu)單元的限制,一些新型結(jié)構(gòu)廣泛用于寬光譜范圍內(nèi)的連續(xù)相位調(diào)控,如金屬或介質(zhì)懸鏈線結(jié)構(gòu)[38?40],盡管目前相位和振幅響應(yīng)還不夠理想、效率較低[41].近年來(lái),拓?fù)鋬?yōu)化作為一種提高連續(xù)結(jié)構(gòu)性能的有效手段[42],盡管數(shù)值計(jì)算工作量較大,但可實(shí)現(xiàn)周期結(jié)構(gòu)或小面積器件.最近,張飛等[43]基于優(yōu)化懸鏈線提出了一種寬頻帶、高效率、超廣角波前的全介質(zhì)光學(xué)超表面及其相位流水線優(yōu)化設(shè)計(jì)策略.

本文旨結(jié)合基于相變的有源控制與懸鏈線連續(xù)相位調(diào)控,構(gòu)造了基于Ge2Sb2Te5-懸鏈線混合超構(gòu)單元連續(xù)波前調(diào)制的有源超表面相位開(kāi)關(guān),分別實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)和高階(拓?fù)潆姾蓴?shù)l=2)貝塞爾光束動(dòng)態(tài)切換.在基于Ge2Sb2Te5的超構(gòu)集成單元中,利用幾何相位與傳輸相位實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)波前調(diào)控.Ge2Sb2Te5處于非晶態(tài)時(shí),交叉極化與異常反射被“打開(kāi)”,在9—10 μm波段內(nèi)平均效率達(dá)80%.當(dāng)Ge2Sb2Te5轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)時(shí),異常反射幾乎被“關(guān)閉”,僅產(chǎn)生正常的鏡面反射,即實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)的“開(kāi)”和“關(guān)”態(tài).進(jìn)一步,展示了一種高階(l=2)貝塞爾光束開(kāi)關(guān)器件.特別地,在9.6 μm波長(zhǎng)處,非晶態(tài)下的器件極化轉(zhuǎn)換效率(PCR)接近100%.相關(guān)結(jié)果為光電集成、波前重構(gòu)等應(yīng)用提供了新的有源集成光調(diào)控思路.

2 基本原理

2.1 線寬漸變懸鏈線連續(xù)波前調(diào)控

懸鏈線光學(xué)是近年來(lái)亞波長(zhǎng)光學(xué)和電磁學(xué)中一個(gè)新興的研究點(diǎn),在最近的一篇綜述中介紹了其歷史、理論和應(yīng)用[44].作為一種連續(xù)波前或相位調(diào)控超構(gòu)單元,如圖1(a)所示,可優(yōu)化流水線型懸鏈線[43]設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)9.6 μm入射時(shí)沿–x方向光偏轉(zhuǎn)最大至40°,沿x軸方向的相位分布應(yīng)為 2πx/Λ,其中Λ9.6/sin(40°) 是橫向排列周期,曲線軌跡可以用“等強(qiáng)度懸鏈線”[38]表示為

圖1 優(yōu)化后的懸鏈線特征[43] (a) 水平長(zhǎng)度為0.75 Λ的單個(gè)懸鏈線結(jié)構(gòu);(b)經(jīng)流水線優(yōu)化算法得到的懸鏈線局部寬度W(x)隨x的變化Fig.1.Schematic of the catenary atom[43]:(a) Single catenary structure with a horizontal length of 0.75 Λ;(b) the locally varied width W(x) of the catenary by streamlined optimization algorithm along x-axis.

當(dāng)x±Λ/2 時(shí),y值趨于無(wú)窮大,曲線兩端由一個(gè)截?cái)嘞禂?shù)f=0.375決定,因此,光學(xué)懸鏈線的水平跨度為(?fΛ/2,fΛ/2).

沿懸鏈線切線方向與x軸的傾角ξ(x)從?π/2到 π/2 在左右端點(diǎn)之間變化,根據(jù)幾何相位關(guān)系,將產(chǎn)生連續(xù)、局域的幾何相位Φ(x)2σξ(x),其中σ=±1 表示左旋和右旋圓極化(分別為L(zhǎng)CP和RCP)入射光.其中,傾角ξ(x)可以表示為

因此,沿懸鏈線產(chǎn)生的幾何相位分布(調(diào)制)可以寫(xiě)成

即沿著x軸的線性相位梯度為 2π/Λ,相當(dāng)于等效的局域單向波矢量[45].進(jìn)一步,通過(guò)調(diào)節(jié)懸鏈線周期Λ和垂直于懸鏈線切線方向的線寬W(x)變化,可優(yōu)化單向局域等效波矢分量對(duì)應(yīng)的局域場(chǎng)分布、波前偏轉(zhuǎn).經(jīng)過(guò)優(yōu)化,本次擬采用線寬W(x)隨x軸變化關(guān)系,如圖1(b)所示[43]的懸鏈線單元.

2.2 基于懸鏈線單元的幾何相位調(diào)控原理分析

幾何相位,又稱(chēng)為Pancharatnam-Berry(P-B)相位[16,17],一般產(chǎn)生于圓偏振光與等離子體或諧振單元相互作用的交叉偏振(或極化)分量中,其值為φ=2ξ,其中ξ是單元結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)取向角,如圖2(a)所示.根據(jù)單元結(jié)構(gòu)排列方式的不同,幾何相位調(diào)控方式可以直觀地分為兩類(lèi),即生成離散幾何相位和連續(xù)幾何相位.一般來(lái)說(shuō),離散幾何相位是從離散排列的單元結(jié)構(gòu)中獲得,如同對(duì)波前在亞波長(zhǎng)尺度進(jìn)行離散采樣;連續(xù)幾何相位,則由具有空間上連續(xù)相位調(diào)控模式的諧振結(jié)構(gòu)產(chǎn)生,例如本文的懸鏈線原子,如圖2(b)中所示.改變懸鏈線排布方式,可對(duì)入射光實(shí)現(xiàn)特定的連續(xù)波前調(diào)控,如本文展示的異常偏折與貝塞爾光束.

圖2 (a)離散幾何相位實(shí)現(xiàn)異常偏折;(b)連續(xù)幾何相位實(shí)現(xiàn)異常偏折Fig.2.(a) Discrete geometric phase for abnormal deflection;(b) continuous geometric phase for abnormal deflection.

首先,異常光束偏折或折射,需產(chǎn)生線性相位分布φ(x)或常數(shù)梯度dφ(r)/dx,

根據(jù)廣義折反射定律[13],(4)式可理解為所有子波前,在設(shè)計(jì)波長(zhǎng)λd下以相同的角度θ出射,如圖2所示.形成的沿著x方向相位梯度為 2π/Λ,折射角為θ,滿足公式θ=arcsin(λd/Λ).

為了實(shí)現(xiàn)零階貝塞爾光束,需要產(chǎn)生徑向的線性相位分布φ(r),

對(duì)(5)式兩邊積分,并且代入r(y2+x2)1/2可得

在此基礎(chǔ)上,如需產(chǎn)生高階貝塞爾光束,需要添加沿角向(或弧向)的額外相位nφ,這里φ=tan?1(y/x),表示xoy面內(nèi)的弧向方位角,即引入渦旋相位后

因此,針對(duì)特定波前調(diào)控,如貝塞爾光束生成,與線性相位決定的波前偏轉(zhuǎn)類(lèi)似,需產(chǎn)生圓對(duì)稱(chēng)的螺旋或同心相位分布.具體地,懸鏈線可以在極坐標(biāo)系中排列,便于同時(shí)實(shí)現(xiàn)沿徑向、角向的相位調(diào)控.如圖2(b)所示,單元結(jié)構(gòu)兩端的相位差為±2π,可單個(gè)結(jié)構(gòu)直接形成梯度為 2π/Λ的線性相位調(diào)控.對(duì)于懸鏈線的同心圓排列,將沿徑向直接產(chǎn)生梯度為 2π/Λ的線性相位分布,且與位于相同半徑圓上的懸鏈線端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參考相位krr(kr表示徑向波矢量)一致;同時(shí),沿角向(或弧向)懸鏈線逐漸旋轉(zhuǎn),將進(jìn)一步在相應(yīng)轉(zhuǎn)角φ處引入2倍于轉(zhuǎn)角的幾何相位2φ.因此,其綜合相位分布呈現(xiàn)螺旋分布(見(jiàn)圖3(d)),旋轉(zhuǎn)一周引起相位變化為4π,形成貝塞爾分布階數(shù)或渦旋光拓?fù)潆姾蓴?shù)l=2.

類(lèi)似地,對(duì)于懸鏈線的螺旋排列,如產(chǎn)生l=0的零階貝塞爾分布,即相位呈現(xiàn)同心圓分布,需懸鏈線端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參考相位krr引入附加相位krr=–2φ(即(7)式中n=–2),進(jìn)而與懸鏈線沿角向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的幾何相位2φ抵消,產(chǎn)生所述的同心圓分布(見(jiàn)圖3(c)).因此,綜上分析,懸鏈線端點(diǎn)的軌跡滿足[46]

式中,l為拓?fù)潆姾蓴?shù)或貝塞爾分布階數(shù),m=1,2,3···表示初始相位.圖3(a)為l=0的貝塞爾光束設(shè)計(jì)分布,即懸鏈線雙螺旋排列;圖3(b)為l=2的貝塞爾光束設(shè)計(jì)分布,懸鏈線同心排列;圖3(c),(d)分別展示了圖3(a),(b)中設(shè)計(jì)的相位分布.懸鏈線的其他排列具有不同的軌道角動(dòng)量[38].值得注意的是,該設(shè)計(jì)可以超越離散的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)限制,形成理想的復(fù)雜相位分布[40].

圖3 (a)基于螺旋懸鏈線排列的零階貝塞爾光束發(fā)生器(l=0);(b) 基于同心圓懸鏈線排列的高階貝塞爾光束發(fā)生器(l=2);(c) 9.6 μm右旋圓光垂直入射圖(a)中結(jié)構(gòu)得到的相位分布圖;(d) 9.6 μm左旋圓光垂直入射圖(b)所示結(jié)構(gòu)得到的相位分布圖Fig.3.(a) The zero-order Bessel beam generator based on spiral catenary arrangement (l=0);(b) high-order Bessel beam generator based on concentric circular catenary arrangement (l=2);(c) phase distribution for the arrangement in (a) at the incidence of 9.6 μm RCP waves;(d) phase distribution for the arrangement in (b) at the incidence of 9.6 μm LCP waves.

2.3 基于相變集成的有源超構(gòu)開(kāi)關(guān)

基于懸鏈線單元的幾何相位調(diào)控效率,決定于整體器件的交叉極化效率.為了提高交叉極化分量的能量轉(zhuǎn)換效率,本次擬采用反射模式的金屬-絕緣層-金屬(MIM)優(yōu)化單元模型.如圖4(a)所示,絕緣體層由Ge2Sb2Te5和MgF2薄膜組成,夾在金襯底和金懸鏈線陣列之間.Ge2Sb2Te5薄膜作為有源介質(zhì),可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)不同狀態(tài)實(shí)現(xiàn)超表面動(dòng)態(tài)相位調(diào)制,如光束偏轉(zhuǎn).在Ge2Sb2Te5表面沉積MgF2薄膜作為氧化緩沖層.同時(shí),MgF2層用作高折射率Ge2Sb2Te5和空氣之間的折射率匹配層,以保證在給定波長(zhǎng)處較高的交叉極化效率.如圖4(b)所示,懸鏈線超構(gòu)單元具有相同尺寸,同時(shí)被截?cái)嗟膽益溇€水平跨度為0.75Λ.為保證相位連續(xù)性和振幅均勻性,在截?cái)鄥^(qū)域增加寬度為w1的垂直結(jié)構(gòu),且沿y方向兩個(gè)懸鏈線原子的間隔設(shè)置為d.

作為有源調(diào)控機(jī)制,將Ge2Sb2Te5薄膜引入MIM結(jié)構(gòu),便于引入基于相變的附加傳輸相位調(diào)控.以波前偏轉(zhuǎn)為例,超表面產(chǎn)生的相位分布直接決定了器件的水平波矢[14,47],如圖4(c)所示,沿懸鏈線x方向不同位置處得到反射波(x分量)的相位突變分布.顯然,在右旋RCP平面波正入射下,Ge2Sb2Te5非晶態(tài)時(shí)懸鏈線在一個(gè)周期或一列中產(chǎn)生從0到2π的線性相移,進(jìn)而產(chǎn)生由常數(shù)相位梯度或波矢決定的反射平面波.這種整體范圍連續(xù)的相移,使得異常偏轉(zhuǎn)效率高于那些通過(guò)離散單元結(jié)構(gòu)引入的不連續(xù)相位采樣效率,與先前報(bào)道結(jié)果預(yù)測(cè)一致[43].然而,如圖4(d)所示,Ge2Sb2Te5相變至晶態(tài)時(shí),僅在給定波長(zhǎng)(如9.6 μm)附近產(chǎn)生振幅極小的交叉極化分量,剩下以共極化為主導(dǎo)的正常鏡面反射,因此幾乎不能產(chǎn)生有效的幾何相調(diào)控.通過(guò)優(yōu)化提取Ge2Sb2Te5兩種狀態(tài)下x-z平面強(qiáng)度分布,可直觀描述有源相位調(diào)控與波前偏轉(zhuǎn)機(jī)制.以9.6 μm垂直入射為例,結(jié)果如圖4(e),(f)所示,非晶態(tài)時(shí)(圖4(e)) F-P模式表現(xiàn)出局域增強(qiáng)的電場(chǎng)分布,并與懸鏈線結(jié)構(gòu)有效地耦合,產(chǎn)生圖4(c)中覆蓋[0,2π]的全范圍的線性幾何相位,進(jìn)而產(chǎn)生由常數(shù)相位梯度決定的定向波前偏轉(zhuǎn).晶態(tài)時(shí)(圖4(f))工作在非共振模式,幾乎沒(méi)有局域場(chǎng)耦合,因而交叉極化和幾何相位調(diào)制幅度幾乎可忽略.

圖4 懸鏈線結(jié)構(gòu)單元模型及其特性 (a) 懸鏈線結(jié)構(gòu)單元橫截面圖;(b) 前視圖;(c) 9.6 μm處非晶態(tài)和 (d)晶態(tài)沿位置x的相位變化;(e) 9.6μm處非晶態(tài)和(f)晶態(tài)歸一化橫截面強(qiáng)度分布Fig.4.A catenary-based atom and its characteristic:(a) The cross-sectional view;(b) the top view of one atom.The phase change with respect to position x (c) in the amorphous state and (d) the crystalline state at 9.6 μm.The normalized cross-sectional intensity distribution at 9.6 μm in (e) amorphous and (f) crystalline states.

3 結(jié)果與討論

3.1 動(dòng)態(tài)波前偏轉(zhuǎn)控制

為驗(yàn)證上述主動(dòng)波前控制方法的可行性,用有限時(shí)域差分法(FDTD)對(duì)MIM單元模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算.首先,如圖5(a)所示,建立了用于寬帶線性相位調(diào)制的懸鏈線-Ge2Sb2Te5偏轉(zhuǎn)混合模型.沿x軸和y軸使用周期邊界條件,沿z軸使用完美匹配層.其中,相變介質(zhì)Ge2Sb2Te5厚度hGST=0.6 μm,以確保在熱或電刺激下發(fā)生可逆相變,同時(shí)保證足夠厚度實(shí)現(xiàn)的F-P模式的正常關(guān)閉.其次,選擇合適厚度的二氟化鎂hMgF2=0.15 μm阻擋空氣與Ge2Sb2Te5接觸.懸鏈線足夠薄(hAu=0.12 μm)以便于制造、減小計(jì)算量.Ge2Sb2Te5的光學(xué)常數(shù)采用文獻(xiàn)[48]中的數(shù)值.特別地,在工作波長(zhǎng)9.6 μm處非晶態(tài)的折射率為3.46,晶態(tài)的折射率為4.92+i0.17.如圖4(b)所示,懸鏈線在x方向上的周期為0.75Λ=11.14 μm,在y方向上的間距為d=3.5 μm.

圖5 可切換的超構(gòu)陣列偏折器件 (a) 基于懸鏈線-Ge2Sb2Te5集成的有源波束控制準(zhǔn)連續(xù)超表面;(b) 非晶態(tài)共偏振和交叉偏振反射率的仿真結(jié)果;(c) 極化轉(zhuǎn)換效率(PCR)譜;(d) 非晶態(tài)和 (e) 晶態(tài)下9.0 μm,9.5 μm和10.0 μm波長(zhǎng)光束以不同偏折角反射;(f) 非晶態(tài)和 (g) 晶態(tài)下9 μm右旋光入射時(shí)x-z平面內(nèi)的反射電場(chǎng)(Ex)歸一化振幅分布Fig.5.The switchable meta-array for deflectable devices.(a) The Catenary-Ge2Sb2Te5 integrated quasi-continuous metasurface for active beam control.(b) The simulated results of the co-polarized and cross-polarized reflectivity in the amorphous state.(c) Polarization conversion efficiency (PCR) spectrum.The beams with different wavelengths of 9.0,9.5 μm,and 10.0 μm are reflected/deflected to distinctly different angles in the (d) amorphous state and (e) crystalline state.The normalized amplitude distribution of the reflected electric field (Ex) for RCP incidence (9 μm) in the (f) amorphous and (g) crystalline state in the x-z plane.

如圖5(b)所示,在9—10 μm的寬光譜范圍內(nèi),在非晶態(tài)下整體反射率由交叉極化分量(>75%)主導(dǎo),而共極化反射率被抑制(<10%).特別地,定義并計(jì)算了極化轉(zhuǎn)換比PCR(PCR=Rcross/(Rcross+Rco))來(lái)表征交叉極化效率.圖5(c)顯示了兩種狀態(tài)下波長(zhǎng)的仿真PCR譜.結(jié)果表明,在9 —10 μm的寬帶光譜范圍內(nèi),非晶態(tài)的PCR大于90%,晶態(tài)的PCR小于20%,并且在9.6 μm處,非晶態(tài)下極化轉(zhuǎn)換效率接近100%.此外,圖5(d),(e)分別給出了兩種狀態(tài)下不同波長(zhǎng)不同角度相關(guān)的強(qiáng)度分布.顯然,在非晶態(tài)中,交叉極化被“打開(kāi)”,產(chǎn)生異常偏轉(zhuǎn)(或反射),而在晶態(tài)中偏轉(zhuǎn)被“關(guān)閉”(只有鏡面反射).值得注意的是,如圖5(f),(g)所示,在9.6 μm入射時(shí),非晶態(tài)下,觀察電場(chǎng)分布可知,光束向39.5°的角度異常反射,與θsin?1(λ/Λ) 的理論值40.27°基本一致;而在晶態(tài)時(shí),幾乎為鏡面反射,這與圖5(d),(e)結(jié)果一致.

3.2 高階貝塞爾光開(kāi)關(guān)

根據(jù)解析設(shè)計(jì),在仿真中制作了拓?fù)潆姾蓴?shù)l=2的高階貝塞爾光束發(fā)生器.基底金膜厚度為120 nm,l=2主視圖圖像如圖6(a)所示.所有樣品徑向周期Λ均為14.85 μm,由kr2π/Λ確定衍射光束的徑向波矢量.r1=30.0 μm,r2=119.1 μm.圖6(b)為圖6(a)的局部放大圖,這樣的排布方式會(huì)在徑向產(chǎn)生關(guān)于中心對(duì)稱(chēng)的線性相位分布,并在弧向產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的渦旋相位分布,進(jìn)而產(chǎn)生高階貝塞爾光束[49].非晶態(tài)下,9.6 μm波長(zhǎng)的右旋圓極化垂直入射時(shí),得到的高階貝塞爾光束的x-z場(chǎng)分布,如圖6(c)所示.特別地,高階貝塞爾光束的特點(diǎn)是中心空心,攜帶典型的軌道角動(dòng)量.如圖6(d),(e)所示,對(duì)于相同的徑向波矢量和波長(zhǎng),光斑尺寸(定義為貝塞爾光束最內(nèi)環(huán)的半徑)隨拓?fù)潆姾蓴?shù)l增加而變大.同時(shí),還可以通過(guò)改變微/亞微尺度光柵的周期Λ來(lái)控制光斑大小.減小Λ值后,貝塞爾光束光斑半徑可達(dá)到亞波長(zhǎng)量級(jí),這是傳統(tǒng)空間光調(diào)制器(SLM)器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的[46].如圖6(f)所示,從非晶態(tài)至晶態(tài)相變時(shí),高階貝塞爾光束被“關(guān)閉”,對(duì)應(yīng)聚焦分布消失.超高效率貝塞爾光束使非晶態(tài)(最大)和晶態(tài)間產(chǎn)生較大的匯聚光強(qiáng)對(duì)比,對(duì)于大開(kāi)關(guān)比的有源光子器件非常理想.

圖6 可切換高階貝塞爾光束器件 (l=2) (a) 具有同心懸鏈線排列的可切換高階貝塞爾光束發(fā)生器(l=2)及(b)局部放大圖;(c)非晶態(tài)下x-z平面 (y=0) 內(nèi)歸一化強(qiáng)度分布;(d) x-y平面 (z=100 μm)的歸一化強(qiáng)度分布;(e) 沿圖(d)中虛線的歸一化強(qiáng)度;(f) Ge2Sb2Te5晶態(tài)下x-z平面 (y=0) 內(nèi)歸一化強(qiáng)度分布Fig.6.The switchable high-order Bessel beam device (l=2):(a) The switchable high-order Bessel beam generator with concentric catenary atoms (l=2) and (b) its partially enlarged view;(c) the normalized intensity distribution in the x-z plane (y=0) in the amorphous state;(d) the normalized intensity distribution in the x-y plane (z=100 μm);(e) the normalized intensity along the dotted line marked in (d);(f) the normalized intensity distribution in the x-z plane (y=0) in the crystalline state of Ge2Sb2Te5.

4 結(jié)論

綜上所述,本文通過(guò)提出基于懸鏈線連續(xù)相位調(diào)控和Ge2Sb2Te5相變相結(jié)合的MIM有源波前調(diào)控光子開(kāi)關(guān)器件,揭示了一種相位可動(dòng)態(tài)重構(gòu)和連續(xù)相位調(diào)控超表面的應(yīng)用潛力.首先通過(guò)一維排列的懸鏈線單元生成線性相位分布并實(shí)現(xiàn)了光束偏轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)或動(dòng)態(tài)切換.在從非晶態(tài)到晶態(tài)的相變過(guò)程中,反射波可以在一個(gè)特殊的異常反射角與正常的鏡面反射之間“打開(kāi)”或“關(guān)閉”.其次,通過(guò)同心圓排列的懸鏈線單元展示了攜帶軌道角動(dòng)量的貝塞爾光束開(kāi)關(guān).在非晶態(tài)下,該器件被“打開(kāi)”,產(chǎn)生具有優(yōu)化前向傳播的高階貝塞爾光束.當(dāng)相變至晶態(tài)時(shí),貝塞爾光束完全“關(guān)閉”,沒(méi)有正向傳播.因此,希望本文所提出的方案可以為構(gòu)建相位型光子開(kāi)關(guān)等有源光器件提供切實(shí)可行的參考.