硫系化合物玻璃与光子学的未来

应用于红外的硫系化合物玻璃

        硫系玻璃(chalcogenides，发音为 kal-k-j-，n d)被用于各种各样的光学和光子学应用，并且吸引了越多越多的研究人员注意，它本身显示其具有尚未开发的很大的潜力。

        硫系玻璃和平面玻璃完全不同。硫系化合物通常是基于锗-锑-碲(又名 GST)的合金，它们是所谓的相变材料，可以很容易地从非晶态(不透明，如煤)或结晶态(透明，如钻石)转变。这是一种很独特的特性，因此它已被用于一些光电子设备，如光开关，非易失性显示器，可重构的亚光学，可调谐的发射器和吸收器，光子存储设备和光学计算机。

        这些无定形物质含有一个或两个硫原——元素周期表中的氧族元素——即硫、硒或碲。它们被发现的历史至少可以追溯到20世纪60年代，当时前苏联对它们产生了兴趣，因为作为玻璃而非晶体，它们的生产成本低于单晶硅或锗。根据确切的成分，玻璃可以是不透明的，有光泽的，或有一个深红色的颜色。

        更重要的是，硫系物玻璃的质量可以通过添加硫原来调节。那是因为，从氧气中向下移动元素周期表，它们的原子量增加了。亚利桑那大学材料科学和工程学以及光学科学教授皮埃尔 · 卢卡斯(Pierre Lucas)说，其效果是玻璃的透明度可以转变为越来越长的波长。

        相比之下，我们家里和办公室的玻璃通常是碳酸钙硅酸盐(一种氧化物玻璃)。氧作为一种轻元素，可与任何超过3-4微米的波长耦合并被吸收。卢卡斯打趣道，如果你想躲避有红外线摄像头的人，你可以躲在商业窗口后面，因为所有的氧化物玻璃对中红外光都是不透明的。

        由于其对红外线的透明性，硫族化物玻璃最早的应用之一是用于军事用途的夜视镜镜片，但最初这些镜片相当昂贵。现在，这种材料可以在热红外摄像机中找到，甚至可以在高端汽车的保险杠中找到，以避免在夜间驾驶时发生碰撞。硫系化合物正在一些探索较少的领域发展起来，比如生物分子的红外感应，超连续体生成的非线性光学，以及通过提供一个巧妙的工具包来使用纳米结构来操纵新波长的光。

        另一方面，像 GST 这样的相变材料因其在光盘核心的应用而在电子工业中广为人知，最近，在英特尔和镁光公司的 Xpoint 存储技术中也得到了应用。在 GST 的情况下，当材料从非晶态转变为晶态时，折射率的变化超过2.5，其他性质如电阻率也会发生变化。这种材料可以在室温下以任何一种状态保存，而不需要任何额外的能量。

        华盛顿大学电子、计算机工程和物理系副教授阿尔卡 · 马伊姆达尔(Arka Majumdar)从事硅光子电路的研究，他指出，没有任何一类材料的折射率变化如此之大。

         商品及服务税之所以在光碟方面占有重要地位，是因为商品及服务税符合低电阻率的标准，能够产生足够的热能和高光学损耗，有助于激光刻录 CD 或 DVD。然而，传统折射率传输系统中同时存在的光损耗和光损耗的巨大对比也限制了它在许多应用中的性能。

        但是在2019年，研究人员创造了一种具有光学系统调节特性的折射率温度合金，这表明这种光损耗的耦合可以被打破。他们发现，通过将硒元素添加到 GST 中，产生一种称为 GSST 的新材料，两相之间的吸收对比度大大降低。

一种非易失性的电子可编程光子开关，带有 GST 薄膜，这是一种广为人知的相变材料硫族化物玻璃。

        今天，硫系玻璃改变了光学系统中的激光切换。在传统光学材料中，通常需要大型机械平衡环来移动透镜以改变激光束的方向。但是硫系玻璃的相位变化特性意味着它们可以通过改变透过率来影响光束的转向。

        使用相变硫系玻璃，设置和忘记开关可能需要零静态功率，小型化到微米尺寸，并且是模块化的。它们可用于光子集成电路的应用，如可编程门阵列、光计算、光存储器和光神经网络。“你设置好它，然后你就忘了它,”Majumdar 说，他一直在英特尔公司工作，“然后，如果电路故障，你可以回去重新编程它。”

        使用相变材料的可编程门阵列是 Majumdar 近期看到的最有趣的硫族化物玻璃应用，特别是在量子计算领域。

        在目前市场上的硅光子收发芯片中，一旦激光器或调制器出现故障，就必须更换元件。由于一个芯片上有多个设备，故障的可能性也更大。

        基于相变材料的可编程光子电路将带来更高的系统可靠性，并降低数量级的功耗。可靠性的提高同样适用于量子光子电路，在这种电路中， 单个光子被产生并转换成量子频率。

        Majumdar 说: “这种方法以前并不存在，只是在现有的集成光子学中不可能实现，唯一的方法就是利用相变材料。”

        这样一个系统的所有组件是单独工作的，现在必须把它们放在一起。在一张硅光子电路的放大图像中，Majumdar 指出带有硫族化合物的可见环可以带来了额外的功能。

        基于精密玻璃成型技术可以批量生产具有高质量红外光学特性的硫系玻璃，特别是在2000年由一家初创公司开发的技术。在此之前，红外照相机的镜头是由单晶锗精心生产得到，这样生产的成本很昂贵的。卢卡斯表示，一个镜头的价格可能高达1万美元。

        利用扫描电子显微镜得到的硫系玻璃的图像显示，它是精密成型而不是抛光，可以使表面更加光滑，也可以提高断裂韧性。抛光一个镜头可能需要几个小时，而成型需要一分钟左右。“就生产经济而言，这是非常有利的,”卢卡斯补充道。

        硫系玻璃在2-20μm 的完整红外区域内保持无定形，并呈现光学透明。这一系列玻璃也由极化元素组成，这些元素赋予它比二氧化硅高几个数量级的非线性特性。

        这种特性可以用来发展所谓的超连续谱: 在2-15微米红外光范围内的强相干光。有了这样的光源，像高光谱影像这样的应用的灵敏度就变得非常高，尽管所需要的高强度泵还不容易获得。

        非线性效应会影响主要来自激光源的高强度光的传播。特别是，这些非线性可以用来操纵波长的光，否则不容易获得。

        这种特性通常用于商用高功率激光器，在这种激光器中，近红外激光通过晶体得到波长较短的绿光，即所谓的二次谐波。发生在晶体内部的光子以更高的频率产生，尽管不是所有来自泵浦的光都被转换。

        这种频率转换的典型方式是使用具有双折射的晶体，其中晶体被切割成泵浦光，它和产生的光具有相同的折射率，否则相位只是振荡。硫系玻璃晶体是非晶态的，通常不太适合商业激光器中晶体所做的那种倍频。然而，它对于三次谐波的产生是有用的。

        工程材料，如周期性极化铌酸锂，其中一个技巧是用来创造建设性干涉，虽然不完全相匹配，但仍然是可行的。但是，如果希望在多个波长同时产生谐波，受传统工程晶体材料与他们的物理局限性是不可能做到的。

        展望未来，杜克大学和美国海军研究实验室(NRL)的一个小组正在研究准晶体的几何结构，以增强非线性信号。准晶体是在硫族化物玻璃中实现的。准晶是一种长程有序但无周期性的结构。

        “我们想要满足多个频率的相位匹配，这就是为什么我们选择设计准晶体,”领导杜克大学工作的电子和计算机工程教授、纳米结构专家纳塔利亚 · 利钦尼策(Natalia Litchinitser)说。

        硫族化物玻璃中有图案的准晶是肉眼看不见的，因为它们是波长尺度上的结构。NRL 专业波导部门的负责人 Jesse Frantz 说: “你认为它有一些特殊的外观，因为它是如此特殊的材料。”。但它们看起来没什么特别的。“直到你把一束激光放进去，产生一种不同颜色的光，你才能理解它的特别之处。”

        另一种增强信号的方法是相位锁定。杜克大学/NRL 研究小组及其合作者利用硫族化物玻璃的多功能性，制造了一种单层纳米结构的弱紫外光源。这被认为是由于硫族化合物吸收紫外线而被排除的。紫外光有多种应用，其中包括水下通信、化学探测和水下成像。

        该小组最近的一项实验中，光被以近红外波长泵入硫族化物玻璃，在这个实验中，光被泵入三硫化砷纳米线，这种纳米线具有设计好的纳米结构。正常情况下三次谐波紫外光子会产生但很快被吸收，即使是在这样一个只有几百纳米的薄材料中。但是，通过创造一种纳米结构，允许相锁定的基本频率的第三次谐波，紫外线通过玻璃，并没有被吸收。

硫族化物玻璃纳米结构

        Litchinitser 的解释又向前迈了一步。当激光泵浦进入纳米级样品时，会产生两个分量的三次谐波: 均匀和不均匀。

        当均匀分量如预期般传播时，由于硫族化物玻璃对紫外线的吸收，非均匀分量会有很高的损耗，而泵浦会以基频捕获非均匀分量，并与泵浦一起传播。

        由于泵浦频率是调谐到近红外线，它没有经历吸收。因此，三次谐波的非均匀分量也没有损失。“实际上，非线性光学会生成这些同质和不同质的组件,”她说，“但人们从未想过研究这种不同质的组件，并将其应用。”

        这种锁相机制加上纳米结构的强场增强，使得纳米结构产生的三次谐波比原来的薄膜增强了5倍以上。随后来自同一组的数值模拟中，硫系元表面堆叠增强了两个数量级的三次谐波转换。

        虽然该组织的工作仍处于萌芽阶段，但弗朗茨指出了它的潜力。他说: “如果你能在光学芯片上生成任何想要的颜色的光，那么就会有各种各样的应用，这将带来各种各样的可能性。”