新加坡技术与设计大学
(左)Ge2Sb2Te5可编程光学堆栈示意图
(右)在300纳秒激光脉冲宽度和不同激光功率下模拟和测量的归一化透射率变化
信用:SUTD 受“生命游戏”的启发，SUTD研究人员正在应用细胞自动化技术，为下一代光子学设备高效地模拟具有多个光学相位的相变材料
新加坡技术与设计大学(SUTD)的研究人员设计了一种新颖的计算模型，可以精确预测光子材料的特性，为下一代光子器件铺平了道路
他们的发现发表在npj Computational Materials上，可能会带来未来的全息显示、用于可靠自动驾驶汽车的增强型LiDAR传感器，以及通过全光学神经网络实现的更好的机器学习能力
光子学开创于20世纪60年代，是指利用、产生、探测和传输称为光子和光波的基本光粒子的能力
从那时起，光子学已经彻底改变了电信等领域，光纤电缆甚至可以实现远距离的高速、高带宽数据传输
典型地，光子学材料具有固定的属性，并且不能被调谐
然而，最初开发用于光学数据存储目的的相变材料可以被编程为具有不同的光学特性，例如反射或吸收
对于新的光子学应用，需要两种以上的光学状态
然而，达到这样的条件说起来容易做起来难
来自SUTD工程产品开发支柱部门的研究负责人罗伯特·辛普森副教授说:“优化编程条件以创建不同的阶段具有挑战性、耗时且繁琐。”
在新冠肺炎开始之前，Assoc Simpson教授分享了他的团队一直在利用实验技术设计和开发具有两种或多种光学状态的光子计算材料(PCM)
该团队从已故数学家约翰·康威那里获得灵感，他在20世纪70年代设计了《生命的游戏》，他们试图探索细胞自动化如何帮助设计具有多个光学相位的光子晶体振荡器
“细胞自动化是一种对相互作用的细胞进行建模的方法，”Assoc Simpson教授解释道
“当成千上万的细胞相互作用时，一个简单系统的集体行为变得复杂，有趣的模式出现了
" 因此，Assoc Simpson教授和他的同事使用细胞自动化来模拟特定条件下PCM Ge2Sb2Te5的结晶
他补充说:“我们表明，该模型准确预测了部分切换相变材料并产生大范围光学状态所需的激光脉冲。”
令该团队惊讶的是，他们发现Ge2Sb2Te5表现出生长主导的结晶，而不是由成核控制，这种效应很重要，因为光子学器件的光学响应可以通过晶体生长调节到多个光学水平
作为同类模型中第一个模拟多级相变开关的模型，研究团队将其代码开源，以鼓励其他研究人员开发和优化其他可编程光子学材料
Assoc Simpson教授总结道:“展望未来，我们还在开发新的可见光谱透明的相变材料，而不是那些不透明的材料，比如Ge2Sb2Te5。”
“透明度是实现全息显示等未来应用的关键
"
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