上海微系统所硅光课题组研制出亚波长相变结构实现超小尺寸、高消光比的低功耗硅光开关
文章来源：上海微系统与信息技术研究所 | 发布时间：2022-04-19 | 【】 【】
硅光集成是指利用cmos工艺平台，将实现高性能调制、探测、传输和复用等功能的器件集成在同一芯片上，通过规模集成面向片上和片间光互连、高速光通信、集成传感和智能计算等提供性能更优、更具性价比的芯片和组件，其中低功耗、高性能的光开关是硅光集成在上述应用场景中都广泛需要的核心器件。
当前硅光集成开关器件主要采用马赫-曾德干涉仪或微环谐振器的结构设计，这些器件存在如占用空间大、对外界温度敏感和需要持续的外部电源来维持开关状态导致高静态功耗的不足，为高密度的硅光集成带来了额外的困难。非易失性相变材料被广泛关注和研究，如研究人员通过将ge2sb2te5集成到光子器件中来实现具备可重构功能的硅光器件。但普通的ge2sb2te5薄膜在反复相变的过程中结构稳定性较差，消光比也被制约在10db量级。针对这一问题，上海微系统所硅光课题组武爱民研究员团队等提出对ge2sb2te5薄膜进行离散化的结构设计，将支持局域共振的亚波长结构ge2sb2te5集成于标准450nm宽的单模硅光波导上，研制了具有高消光比、小尺寸、低能耗和良好结构稳定性的片上光子开关。
研究团队提出的器件结构由单模硅光波导和三个级联的ge2sb2te5纳米盘组成（图1a），总体积仅为 0.229μm2×35nm。在通讯波段，ge2sb2te5是一种具有高光学对比度的材料，非晶态下，ge2sb2te5的折射率（n）与硅相近，并且具有较低的消光系数（k），而在晶态中，ge2sb2te5的折射率将会增大两倍，通过改变 gst 纳米盘的相态可以调制沿波导传输的光强。如图1b所示，当ge2sb2te5处于非晶态时，波导中的光可以正常通过（上图）；当ge2sb2te5处于晶态时，沿波导输入的入射光被ge2sb2te5级联微盘吸收或散射，实现对入射光的截止。受益于ge2sb2te5的非易失性，光开关的开关状态是可持续的，在施加控制脉冲后不会产生额外能量能量消耗。在实验中，通过对光开关施加不同能量的泵浦脉冲光，以精确的方式加热 gst 纳米盘以切换它们的相位实现对相变材料的调控，此时波导中传输率的变化和脉冲能量的关系如图1c所示。实验测得，该器件在c波段实现了高达27db的超高消光比，并在70nm的宽带范围内保持20db以上的高消光性能（图1d），通过施加特定能量的光脉冲可对不同级状态的光开关实现复位操作（图1e）。ge2sb2te5材料本身已经在cmos平台上具备了加工能力，与单模波导制备的光开关结合能够非常直接的应用于规模化集成的光子芯片中，该工作所提出的基于共振光子学的开关器件有望在大规模集成的光互连和光计算新型架构等方面发挥重要作用。
相关成果以“ultracompact high-extinction-ratio nonvolatile on-chip switches based on structured phase change materials”为题在线发表在laser & photonics reviews (doi: 10.1002/lpor.202100717)上。
上海微系统所博士研究生李文霏为该文章的第一作者，浙江大学金毅副教授、上海微系统所宋志棠研究员和上海微系统所武爱民研究员为论文的共同通讯作者。上述研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、上海市硅光重大专项和中科院青促会的支持。
图1 （a）亚波长相变硅光开关结构示意图及sem照片；（b）器件分别处于on（上图）和 off（下图）开关状态时的光场强度分布；（c）不同能量的单个晶化脉冲对光开关传输率的影响；（d） 多级光开关各级传输谱测试结果；（e）光开关复位操作测试结果。
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