Reflexion optique programmable : transformer un miroir en absorbant optique

Nous démontrons expérimentalement une très large modulation de réflexion optique à partir de dispositifs à base de matériaux à changement de phase ultra-minces et non patternés. La réflexion optique peut être programmée et reconfigurée à des niveaux arbitraires entre 80% et 0,005% dans le proche IR.

Chaque élément composant un système photonique est choisi en fonction de ses propriétés de réflexion, transmission ou absorption optiques. Un matériau fortement réfléchissant sera choisi pour la fabrication de miroirs, tandis que des matériaux fortement absorbants seront à la base des photodétecteurs et cellules solaires.
Ces propriétés optiques sont en général intrinsèques aux matériaux utilisés et figées dans le temps. Cependant, la classe des matériaux dits à changement de phase (PCMs) déroge à cette règle : leurs indices de réfraction et coefficients d’absorption peuvent être modifiés de manière rapide et réversible.
En associant les propriétés uniques de ces PCMs avec les techniques de design nanophotonique, nous avons démontré une très large modulation des propriétés de réflexion/absorption d’un empilement simple de matériaux incluant des couches nanométriques de GeSbTe. En particulier, nous avons démontré expérimentalement la transformation d’un dispositif fortement réfléchissant (R=80%) en un dispositif parfaitement absorbant (A~99,9995%), réduisant ainsi sa réflectivité d’un facteur supérieur à 10 000. D’autre part, par le biais de cristallisations partielles du PCM, 100 niveaux de réflectivités distincts entre 80% et 0%, ont pu être successivement « programmés » dans un même échantillon.
Le dispositif proposé, ne requérant pas de lithographie, peut dès à présent être fabriqué à grande échelle et pourrait facilement être implémenté dans des composants optiques de grandes dimensions, leur conférant ainsi des propriétés optiques versatiles et reconfigurables.

Contacts

Sébastien Cueff & Lotfi Berguiga

Collaborations avec le CRHEA, l’Institut Fresnel et ST Microelectronics

Références

S. Cueff, A. Taute, A. Bourgade, J. Lumeau, S. Monfray, Q. Song, P. Genevet, B. Devif, X. Letartre and L. Berguiga  : Reconfigurable Flat Optics with Programmable Reflection Amplitude Using Lithography-Free Phase-Change Materials Ultra-Thin Films. Advanced Optical Materials 2001291 (2020);  https://doi.org/10.1002/adom.202001291

INL CNRS
Un faisceau lumineux NIR réfléchi par un empilement multicouche comprenant une couche mince de GeSbTe (GST), un spacer diélectrique et une couche d'or. Une très grande modulation optique allant de la forte réflexion (R = 80%) à l'absorption parfaite (A> 99,995%) est démontrée expérimentalement en changeant la phase de GST. (Couverture Advanced Optical Material - Wiley)