Sobre el comportamiento óptico de materiales que cambian su fase

Abstract

Los materiales de cambio de fase (Phase Change Materials o PCM) presentan transiciones de fase reversibles entre dos (o más) estados distintos, como fases cristalinas y amorfas. Estos estados presentan propiedades ópticas y eléctricas muy diferentes entre sí, las cuales pueden ser conmutadas a través de estímulos externos (eléctricos, ópticos, termo-eléctricos). En los últimos años han despertado un gran interés en el campo de la fotónica. Por un lado, siguen siendo estudiados con el fin de conseguir un almacenamiento de datos con menor latencia entre escritura y lectura. Por otro lado, los PCM han encontrado multitud de aplicaciones en la fotónica programable, las metasuperficies sintonizables, desarrollo de nanopíxeles e incluso la computación neuromórfica. Además, los interruptores ópticos basados en PCM son muy prometedores para diversas aplicaciones fotónicas como la la fabricación de memorias ópticas, las telecomunicaciones, las interconexiones ópticas y el procesamiento de señales. De todos ellos, los que presentan cambios de fase no volátiles (la fase se mantiene sin necesidad de una fuente continua de energía) y rápidas velocidades de conmutación son ideales para desarrollar tecnologías de comunicación óptica avanzadas y energéticamente eficientes. Los esfuerzos de investigación en curso para explorar nuevos PCM, optimizar los diseños de dispositivos y superar los retos existentes están impulsando el desarrollo de conmutadores ópticos innovadores y de alto rendimiento para la próxima generación de aplicaciones fotónicas. Este estudio se ha enfocado en analizar el PCM Sb2S3 en formato de lámina delgada sobre sustrato de vidrio, examinando su comportamiento óptico en sus dos fases: amorfa y cristalina. Frente a los PCM convencionales, el Sb2S3 presenta poca absorción en el visible y en el infrarrojo, permitiendo su uso en el espectro de las telecomunicaciones ópticas. Se ha utilizado el método de la matriz de transferencia (Transfer Matrix Method o TMM) para simular estas propiedades (reflexión, transmisión y absorción) y se ha completado con medidas experimentales de reflectancia espectral y angular a longitudes de onda del visible de 532 y 633 nm. Además, se ha explorado la viabilidad de un interruptor óptico basado en el fenómeno del ángulo de Brewster. Las principales conclusiones incluyen la predicción precisa de los máximos y mínimos de reflectancia espectral, la estimación del espesor de PCM y su impacto en las propiedades finales. Se ha comprobado la conmutación del color observado en reflexión, y se han identificado altos contrastes de reflectancia angular entre fases. Finalmente, se ha demostrado la viabilidad de un interruptor óptico de amplitud basado en el fenómeno de Brewster para longitudes de onda mayores a 688 nm, con un contraste óptico medido experimentalmente de 22 dB a 1080 nm para las muestras analizandas. No obstante, las simulaciones predicen que este contraste puede ser ensalzado hasta 38 dB fijando el mismo espesor de PCM en ambas fases. Estos resultados demuestran el potencial de aprovechar el efecto de Brewster en el desarrollo de dispositivos de conmutación óptica eficientes, allanando el camino para nuevos avances en el campo de la optoelectrónica y la nanofotónica para aplicaciones en comunicaciones y memorias ópticas.

Phase change materials (PCM) have reversible phase transitions between two (or more) distinct states, such as crystalline and amorphous phases. These states exhibit very different optical and electrical properties, which can be switched through external stimuli (electrical, optical, thermoelectrical). In recent years they have aroused great interest in the field of photonics. On the one hand, they continue to be studied in order to achieve data storage with lower latency between writing and reading. On the other hand, PCMs have found a multitude of applications in programmable photonics, tunable metasurfaces, nanopixel development and even neuromorphic computing. In addition, PCM-based optical switches are very promising for various photonic applications such as optical memory fabrication, telecommunications, optical interconnects and signal processing. Of these, those with nonvolatile phase shifts (phase is maintained without the need for a continuous power source) and fast switching speeds are ideal for developing advanced and energy-efficient optical communication technologies. Ongoing research efforts to explore new PCMs, optimize device designs and overcome existing challenges are driving the development of innovative, high-performance optical switches for the next generation of photonic applications. This study has focused on analyzing the Sb2S3 PCM in thin film format on glass substrate, examining its optical behavior in its two phases: amorphous and crystalline. Compared to conventional PCMs, the Sb2S3 has low absorption in the visible and infrared, allowing its use in the optical telecommunications spectrum. The transfer matrix method (TMM) has been used to simulate these properties (reflection, transmission and absorption) and has been completed with experimental measurements of spectral and angular reflectance at visible wavelengths of 532 and 633 nm. In addition, the feasibility of an optical switch based on the Brewster angle phenomenon has been explored. The main findings include accurate prediction of spectral reflectance maxima and minima, estimation of PCM thickness and its impact on final properties. The observed color switching in reflection has been verified, and high angular reflectance contrasts between phases have been identified. Finally, the feasibility of an optical amplitude switch based on Brewster’s phenomenon for wavelengths longer than 688 nm has been demonstrated, with an experimentally measured optical contrast of 22 dB at 1080 nm for the analyzed samples. However, simulations predict that this contrast can be boosted to 38 dB by fixing the same PCM thickness in both phases. These results demonstrate the potential to exploit the Brewster effect in the development of efficient optical switching devices, paving the way for new advances in the field of optoelectronics and nanophotonics for applications in communications and optical memories.