图1 谐振增强型非易失多级光开关
1. 导读
硅基光电子利用成熟的CMOS工艺来实现光电子集成器件及芯片，具有尺寸小、成本低、集成度高等优势，已经成为研究热点。目前，硅光器件主要采用载流子色散效应和热光效应来实现有源调制，其较低的调制效率和易失性导致器件有源区域较长、功耗较高，因此限制了硅光芯片集成度的发展。
针对这些问题，近日上海交通大学陆梁军副教授团队在Nanophotonics发表最新文章，在硅波导中引入相变材料锗锑碲（Ge2Sb2Te5, GST），利用GST材料在晶态和非晶态巨大的折射率差来实现超小有源尺寸的光开关单元，GST材料的状态自保持特性还能够完全消除器件的静态功耗。为进一步提升器件消光比，团队设计了一种谐振增强结构，将波导布拉格光栅与多模干涉（MMI）结构相结合来提升光模场与GST的相互作用（见图1），突破硅-相变材料光器件的限制。团队对该器件进行了加工制造和实验测试，通过对器件中的掺杂硅电阻微加热器施加脉冲实现了电致可逆相变。相比非谐振器件，静态消光比提升11.15 dB。在此基础上，通过降低晶化脉冲能量，实现了38个（5比特以上）中间开光状态。
该研究成果为实现高消光比、多态可控的硅基非易失光开关器件提供了清晰的理论和实验指导，为进一步实现低功耗、高集成度硅-相变材料混合集成芯片提供了可能，未来有望用于多级相变存储、光计算等领域。
2. 研究背景
微电子工艺历经了几十年的发展，已具备成熟的产业链，可实现低成本批量化生产。硅基光电子学利用微电子工艺来制备光电子芯片，除了能够大幅降低光电子器件的制造成本，还能与微电子器件实现单片集成，进一步提高芯片集成度，降低功耗。
光开关是一种基本的单元器件，在光交换芯片、可重构光子处理器、光计算等具有广泛应用。硅基光开关通常采用载流子色散效应或热光效应来实现状态切换。然而，这些机制的折射率调控效率较低，导致有源波导长度在百微米量级，而易失特性则需要持续施加功率来维持所需的折射率变化。这些都导致传统的硅基光开关尺寸较大、功耗较高，限制了硅光芯片集成规模的进一步发展。
相变材料(PCM)，如锗锑碲（Ge2Sb2Te5, GST），能够通过光、热或电触发在非晶态(am)和晶态(cr)之间进行可逆转换，并且在两个状态间具较大的折射率差。将GST引入到硅基光开关中，可以在较小体积内实现“ON”与“OFF”状态可逆切换，从而提高密度集成。GST还具有状态自保持特性，不需要能量来维持当前的状态，可以完全消除静态功耗。此外，控制晶态(cr)和非晶态(am)的比例，可以实现具有稳定中间态的多级光开关。多级光开关可用于光存储器、光计算中，需要其具有较高的开关消光比和中间状态数。目前报道的多数硅相变多级光开关的消光比较低。虽然，可以通过增加GST单元的尺寸来提高器件的开关消光比，但这会降低器件的工作速度和可重复性。如何增强Si-GST多级相变开关的消光比，是进一步拓宽其应用的关键。
3. 创新研究
图2 基于布拉格光栅和MMI结构的硅-GST混合集成谐振增强型多级光开关
针对上述挑战，研究人员提出利用谐振腔来增强光模场和GST的相互作用，提高开关消光比。器件将多模干涉器（MMI）和布拉格光栅结合，构成法布里-珀罗(F-P)谐振腔（见图2）。GST薄膜沉积在1×1MMI的中心，根据自映像原理，输入光模场在MMI中心汇聚，从而有效减少GST薄膜的尺寸；利用布拉格光栅作为反射镜，与MMI一起构成F-P谐振腔，从而进一步增强光模场与GST相互作用。研究人员分析了布拉格光栅的反射系数对于器件性能的影响，通过合理设计可以在不大幅增加器件插损的同时，提高开关消光比。为实现可逆相变，在MMI两侧增加硅结构来形成交叉结，在交叉结处进行掺杂构建微加热器。通过对金电极施加电脉冲，可以实现有源区升温，从而引起GST薄膜的相变，实现光开关状态切换。
器件制备采用电子束光刻（EBL）等工艺，加工完器件的照片如图3所示。GST薄膜的直径仅为1μm，比常规的热光移相器缩小两个数量级。实验测试了非谐振和谐振增强光开关的传输谱。非谐振开关在1550 nm波长处的“ON”和“OFF”状态损耗分别为0.37 dB和6.13 dB，静态消光比为5.76 dB。而谐振增强光开关在“ON”和“OFF”状态损耗分别为3.65 dB和20.56 dB，静态消光比为16.91 dB，相比于非谐振结构提升了11.15 dB。（见图4）
图3 谐振增强型多级光开关的光学显微镜图片以及MMI结构和布拉格光栅的SEM图片
图4 非谐振和谐振增强型光开关在非晶态和晶态时的传输谱线
进一步地，研究人员验证该光开关的多态调控性能。将一系列相同脉冲能量晶化脉冲分别施加于非谐振和谐振增强光开关，得益于其高静态消光比，谐振增强型光开关可以实现更多的开关中间态。在4.08 nJ脉冲下可实现11个开关状态。研究人员进一步发现，通过降低晶化脉冲能量，可继续提高开关级数。在3.40 nJ晶化脉冲下，实验测得了38个（>5 bit）开关状态，最大的消光比为10.27 dB（见图5）。
图5 谐振增强型多级光开关的多态调控性能
4. 应用与展望
研究团队实现了一种基于硅和相变材料混合集成的谐振增强型光开关器件，通过谐振腔可有效增强相变开关器件的消光比，并实验验证了5bit级以上开关多态调控。该器件未来可用于多级相变存储、光计算等领域，并进一步拓宽硅和相变材料混合集成器件的性能。
该研究成果以“Resonant multilevel optical switching with phase change material GST”为题在线发表在 Nanophotonics。
本文作者分别是Di Wu , Xing Yang, Ningning Wang, Liangjun Lu, Jianping Chen, Linjie Zhou, B. M. Azizur Rahman，其中上海交通大学2019级硕士研究生吴迪为第一作者，陆梁军副教授为通讯作者，研究单位包括上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室、上海交大-平湖智能光电研究院和伦敦大学城市学院。
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