微納尺度光開關是可集成光通訊、光計算器件以及激光雷達等新一代光信息設備實現應用的重要基礎，因而受到廣泛關注。然而，目前基于機械、電光以及聲光調控實現的光開關普遍面臨功耗大、開關比小、結構復雜、不易制備及難以集成等問題，限制了其在新興微納光學器件領域的發展。近年來，相變材料由于其相變前后顯著的光學參數變化，成為微納光開關設計中的熱門材料。尤其是硫系相變材料，具有非易失相變的特性，使其不需要額外的外部驅動就可以維持相變狀態，為低功耗、易制造和可集成的高性能光開關設計提供了全新思路。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心微加工實驗室李俊杰研究員團隊近幾年圍繞硫系相變材料及其微納光學應用展開了系統的研究，并取得了一系列創新性的成果。該團隊利用Ge2Sb2Te5的高損耗特性在紫外到近紅外超寬波段內實現了一種超表面完美吸波器 [Laser Photonics Rev. 2023, 17, 2200364]；然后又通過幾何相位梯度的優化設計實現了具有光子路由功能的動態調控雙層超表面 [Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2310626]，驗證了硫系相變材料在可調微納光學器件中的應用潛力。該團隊還撰寫了綜述文章 [Adv. Sci. 2024, 11, 2306344] 全面評述了硫系相變材料在可重構微納光學器件方面的應用。

最近，該團隊基于硫系相變材料設計了一種多層膜法布里-珀羅（F-P）腔光開關，首次將Ge2Sb2Se4Te（GSST）薄膜引入到F-P腔結構設計中。當GSST處于非晶態時，光開關滿足F-P腔的駐波條件，光場局域增強導致共振波長處近零的反射率。當GSST相變為晶態時，其折射率發生顯著變化，導致駐波條件無法滿足，從而形成了很高的反射率。在此基礎上，進一步優化設計光開關中抗反射層Al2O3、頂部反射層Au、介質復合層Al2O3/GSST/Al2O3和底部反射層Pt/Ti的厚度，最終實現了高開關比的光開關性能。結果表明，在1500nm的通訊波段，實驗/模擬的最高開關比可達735/2410，比文獻報道的結果提升了一個數量級。該工作將新型低損的硫系相變材料GSST引入F-P腔構建了超高開關比的光開關，其在光數據存儲、信息加密和動態光調制等領域具有巨大的應用潛力，并將激勵一系列先進微納米級可重構光學器件的開發。

圖：a. GSST光開關結構及功能示意圖; b. 不同GSST厚度下光開關的模擬開關比; c. 共振波長下GSST光開關的模擬電場圖; d. 光開關SEM圖像; e. 具有不同GSST厚度的光開關的實驗開關比; f. 開關比和工作波長的溫度依賴關系。

該工作以“Ge2Sb2Se4Te-based Optical Switch with Ultra-high Contrast Ratio by Multilayer Fabry-Perot Cavity”為題，于2月14日發表在《Advanced Science》上；碩士研究生湯志楊和博士研究生李晨圣（已畢業）為共同第一作者，李俊杰研究員和潘如豪副研究員為本文通訊作者，王博副研究員及楊海方研究員等參與了該工作。該工作得到了國家自然科學基金、中國科學院基礎研究領域青年團隊計劃和北京市科技計劃等項目及懷柔綜合極端條件實驗裝置的支持。

編輯：yhc