Micro-nano structured optical devices using Ge2Sb2Te5
Authors:   , Rudé Moreno Miquel 
Published: October 2023

Photonic devices are key to implement future communication and information
technologies. Their success is largely determined by our capability to appropriately control light in such devices, especially in future reconfigurable networks. Light does not interact with itself, thus one usually needs the use of an active material. Phase change materials are a potential candidate to implement this functionality. These materials are a group of chemical compounds that exist in more than one stable phase, each with largely different electrical and optical properties. Moreover, they can be rapidly and reversibly switched between these phases using electrical or optical pulses.
This thesis is devoted to the design and implementation of micronano structured photonic devices incorporating the phase-change material Ge2Sb2Te5 (GST). The thesis first investigates how to fabricate thin films of different phase-change materials in a repeatable manner and characterizes their main properties, especially those of GST. This includes an investigation of their composition, the conditions required to reversibly switch between the amorphous and crystalline phases, as well as their optical properties in each of the stable phases. Three different applications are then demonstrated, each of them based on a different functionality.
The first application is an optical switch operating at telecommunication wavelengths. The device is implemented using a racetrack resonator partially covered with GST. The transmission resonances present in this system are controlled using an infrared laser that triggers phase transitions in the GST layer, thus modifying the shape and position of the resonance wavelength between two states. The switch has an on/off ratio of _ 12dB and response times of ~5μs.
In the second application, control of surface plasmon polaritons in Au waveguides is demonstrated. This is achieved using a cladding layer of GST. 100 % modulation is achieved for large GST areas and thermal crystallization, while up to 30 % modulation is achieved using small GST areas and laser crystallization.
The third application is related to nanohole arrays covered with GST thin films. The effect of phase transitions in the transmission resonances of these structures is investigated for three geometries. Wavelengths shifts as large as 385 nm are demonstrated in devices with broad resonances. Additionally, excitation of GST with short pulses allows for ultrafast tuning of these resonances in the ps regime without the need for a phase transition. Finally, tuning of narrow resonances with shifts of 13 nm is also shown.In summary, the studies and applications contained in this thesis demonstrate the potential of GST and, in general, phase-change materials, to address optical tunability, which is an essential function in a wide range of optical devices.

Els dispositius fotònics són un dels principals candidats per implementar les futures tecnologies de la informació i de la comunicació. El seu èxit dependrà en gran mesura de la capacitat de controlar la llum en aquests dispositius, en particular en dispositius reprogramables. Degut a que la llum no interactua amb ella mateixa normalment es necessita usar un material actiu per assolir aquest control. Els materials de canvi de fase són un dels possibles candidats per implementar aquesta funcionalitat. Aquest conjunt de compostos químics es caracteritzen per tenir més d’una fase estable. Cada una d’aquestes fases presenta unes propietats òptiques I elèctriques molt diferents. A més a més els canvis de fase en aquests materials es poden realitzar molt ràpidament i de manera reversible mitjançant polsos elèctrics o òptics. Aquesta tesis descriu el disseny i la implementació de nous dispositius òptics micro i nanoestructurats usant el material de canvi de fase Ge2Sb2Te5 (GST). A la primera part de la tesis s’investiga com fabricar capes primes de diferents materials de canvi de fase de manera repetible i es caracteritzen les seves propietats principals, en especial les del GST. Això inclou una investigació de la seva composició, les condicions necessàries per induir reversiblement transicions de fase entre els estats amorf i cristal·lí, així com mesures de les propietats òptiques de cada una de les fases. Aquests resultats es faran servir per implementar després tres aplicacions, cada una de les quals té una funció diferent. La primera aplicació és un interruptor òptic que treballa a una longitud dona de 1550 nm. El dispositiu està implementat en un anell ressonador parcialment recobert amb una capa prima de GST. Les ressonàncies en iv transmissió d’aquest sistema són controlades amb un làser infraroig que indueix transicions de fase en la capa de GST, modificant la forma i posició de la ressonància entre dos estats. L’interruptor té una relació entre els estats “on” i “off” de 12 dB i un temps de resposta d’uns 5 s. En la segona aplicació es demostra el control de plasmons de superfície propagant-se a través d’una guia d’ona d’or. Això s’aconsegueix fent servir una capa de GST dipositada sobre el dispositiu. Usant grans àrees de GST i cristal·lització per temperatura es poden aconseguir modulacions del 100 %, mentre que usant petites àrees de GST i cristal·lització làser es demostren modulacions de fins el 30 %. La tercera aplicació explora la combinació d’estructures periòdiques de nanoforats amb capes de GST. En aquest experiment s’investiga l’efecte de les transicions de fase en les ressonàncies de transmissió usant tres geometries diferents. En dispositius amb ressonàncies amples es poden desplaçaments en la longitud d’ona d’aquestes ressonàncies de 385 nm. A més a més, excitant la capa de GST amb polsos curts es mesuren canvis d’aquestes ressonàncies en una escala de temps de ps sense la necessitat d’induir una transició de fase. Per últim també es demostren desplaçaments en la longitud d’ona de fins a 13 nm en dispositius amb ressonàncies estretes. Els estudis i aplicacions descrits en aquesta tesi demostren el potencial del GST i dels materials de canvi de fase en general per implementar dispositius òptics sintonitzables, que realitzaran una funció essencial en futures tecnologies basades en la llum.