空间可控平面引导结晶技术在可编程光子学中的低损耗相变材料应用

本文提出了一种创新的空间可控平面引导结晶方法，通过限制性通道内的定向渐进结晶技术，实现了低损耗Sb2S3相变材料的光学均匀性编程。该技术突破了传统相变材料纳米光子器件中晶粒形成的随机性限制，成功演示了多级非易失性光学相移器和可重构连续谱束缚态超表面，为非易失性可重构光子集成电路的产业化发展奠定了关键技术基础。

　　

空间可控平面引导结晶技术的原理与创新

本研究针对硫系相变材料在可编程光子集成电路应用中存在的晶粒形成随机性问题，提出了一种创新的空间可控平面引导结晶方法。该方法通过设计结晶储层和限制性通道结构，实现了低损耗Sb₂S₃相变材料的定向渐进结晶控制。与传统随机结晶过程不同，该技术利用等温时间结晶原理，在接近Sb₂S₃结晶阈值的恒定温度下，使晶体沿预设通道进行平面生长，类似于液态到固态晶体生长方法的平面版本。

实验研究表明，当Sb₂S₃薄膜被限制在微米级图案中时，成核概率随尺寸减小而显著降低。对于边长小于10微米的图案，结晶概率趋近于零，这为精确控制芯片上的结晶过程提供了理论依据。通过优化通道宽度至2微米以下，研究人员成功实现了光学均匀的晶体生长，有效避免了多晶材料中常见的随机光学各向异性问题。

多级可编程光学相移器的实现

在硅氮化物马赫-曾德尔干涉仪平台上，研究团队首次验证了引导结晶技术在混合集成光子器件中的应用价值。通过在干涉仪一臂上集成50纳米厚的Sb₂S₃薄膜，并控制其结晶前沿位置，实现了对有效折射率的精确调控。实验数据显示，非晶态到晶态的转变使波导模式的有效折射率从1.608增加至1.625，产生了显著的光学相位调制效果。

研究团队在250°C等温条件下实现了约16.5微米/分钟的晶体生长速度，通过精确控制加热时间，成功编程了十个不同的输出状态。传输光谱测量结果显示，该相移器实现了5纳米的频谱调谐和15分贝的传输调制深度，且所有状态均表现出非易失特性。值得注意的是，该方法仅改变传输模式的相位特性，而对振幅影响极小，这得益于Sb₂S₃在近红外区域的超低吸收系数。

光学均匀晶体的平面生长与表征

为了克服多晶材料的光学不均匀性问题，研究团队进一步开发了过滤引导结晶技术。通过将100×100微米的结晶储层与2微米宽的引导通道相连，在260°C恒温条件下实现了晶体的定向生长。偏振光学显微镜和拉曼光谱分析证实，窄通道结构有效过滤了多晶生长，形成了光学均匀的晶体区域。

拉曼 mapping扫描显示，在通道和终端垫区域，Sb₂S₃的拉曼信号强度保持恒定，特别是在200 cm^-1和300 cm^-1特征峰处未观察到强度变化，这表明该区域实现了接近单晶的光学均匀性。这种平面引导过滤结晶过程与传统的定向凝固或切克劳斯基晶体生长方法具有原理相似性，但创新性地实现了固态到固态的受控相变。

可编程光学超表面的应用突破

在纳米尺度应用方面，研究团队设计了基于Sb₂S₃的孔洞型超表面结构，成功实现了连续谱束缚态的可重构调控。该超表面由周期性的亚波长矩形纳米孔阵列组成，通过引导结晶技术实现了从非晶态到光学均匀晶态的可控转变。

实验结果表明，当Sb₂S₃处于非晶态时，超表面在近红外区域表现出清晰的BIC模式特征。结晶后，BIC模式发生100纳米的红移，且线形保持尖锐。与之形成对比的是，多晶Sb₂S₃超表面仅产生20纳米的模糊红移，这证实了光学均匀性对保持光子器件功能性的关键作用。这种可重构BIC超表面为强光场局域和非线性光学应用提供了新的技术途径。

技术优势与发展前景

与现有的相变材料调控方法相比，空间可控平面引导结晶技术在多级可调性方面展现出显著优势。传统方法如激光逐点再非晶化或微加热器控制虽然实现了相态调控，但缺乏对结晶前沿位置的确定性控制。本研究提出的引导结晶方案通过物理限制和温度编程，实现了亚微米精度的结晶控制，为大规模光子集成电路的均匀性保障提供了解决方案。

在结晶动力学方面，该方法具有灵活的速度调控能力。通过调节温度参数，结晶速度可在较大范围内变化，这为不同精度要求的应用场景提供了适应性。对于需要高精度编程的可编程光子电路，较慢的结晶速度有利于实现更精确的设备控制；而在需要快速重构的场景中，可通过提高温度实现更快的相变过程。

未来研究方向包括开发确定性成核技术，如激光诱导加热或局部掺杂，以进一步减小结晶储层尺寸并增强局部控制能力。集成微加热器与结晶储层的结合将实现片上可编程结晶域，而快速加热淬火技术则可实现完全非晶化重置过程，最终达成可逆、多级相位调制的终极目标。

结论与意义

本研究建立的空间可控平面引导结晶技术平台，为高性能可重构纳米光子器件的发展开辟了新途径。通过在Sb₂S₃相变材料中实现光学均匀晶体的可控生长，不仅解决了多晶材料的光学不均匀性问题，还为非易失性可编程光子集成电路的产业化奠定了基础。这项技术有望在光通信、量子计算、神经形态计算等领域产生重要影响，推动光子信息技术向更高效、更智能的方向发展。