小尺寸、高消光比的低功耗硅光開關研制出爐

　　硅光集成是指利用CMOS工藝平臺，將實現高性能調制、探測、傳輸和復用等功能的器件集成在同一芯片上，通過規模集成面向片上和片間光互連、高速光通信、集成傳感和智能計算等提供性能更優、更具性價比的芯片和組件，其中低功耗、高性能的光開關是硅光集成在上述應用場景中需要的核心器件。

　　當前，硅光集成開關器件主要采用馬赫-曾德干涉儀或微環諧振器的結構設計，這些器件存在如占用空間大、對外界溫度敏感，以及需要持續的外部電源來維持開關狀態導致高靜態功耗等不足，這為高密度的硅光集成帶來了額外困難。非易失性相變材料得到關注和研究，例如，研究將Ge2Sb2Te5集成到光子器件中以實現具備可重構功能的硅光器件。然而，普通的Ge2Sb2Te5薄膜在反復相變的過程中結構穩定性較差，消光比被制約在10dB量級。針對這一問題，中國科學院上海微系統與信息技術研究所硅光課題組研究員武愛民團隊等提出對Ge2Sb2Te5薄膜進行離散化的結構設計，將支持局域共振的亞波長結構Ge2Sb2Te5集成于標準450nm寬的單模硅光波導上，研制出具有高消光比、小尺寸、低能耗和良好結構穩定性的片上光子開關。

　　科研團隊提出的器件結構由單模硅光波導和三個級聯的Ge2Sb2Te5納米盤組成（圖a），總體積僅為0.229μm2×35nm。在通訊波段，Ge2Sb2Te5是具有高光學對比度的材料，非晶態下，Ge2Sb2Te5的折射率（n）與硅相近，且具有較低的消光系數（k），而在晶態中，Ge2Sb2Te5的折射率將增大兩倍，通過改變GST納米盤的相態可以調制沿波導傳輸的光強。如圖b所示，當Ge2Sb2Te5處于非晶態時，波導中的光可以正常通過（上圖）；當Ge2Sb2Te5處于晶態時，沿波導輸入的入射光被Ge2Sb2Te5級聯微盤吸收或散射，實現對入射光的截止。受益于Ge2Sb2Te5的非易失性，光開關的開關狀態是可持續的，在施加控制脈沖后不會產生額外能量能量消耗。實驗中，通過對光開關施加不同能量的泵浦脈沖光，以精確的方式加熱GST納米盤以切換它們的相位實現對相變材料的調控，此時波導中傳輸率的變化和脈沖能量的關系如圖c所示。實驗測得，該器件在C波段實現了高達27dB的超高消光比，并在70nm的寬帶范圍內保持20dB以上的高消光性能（圖d），通過施加特定能量的光脈沖可對不同級狀態的光開關實現復位操作（圖e）。Ge2Sb2Te5材料本身已在CMOS平臺上具備加工能力，與單模波導制備的光開關結合可直接應用于規模化集成的光子芯片中。該研究提出的基于共振光子學的開關器件有望在大規模集成的光互連和光計算新型架構等方面發揮重要作用。

　　相關研究成果以Ultracompact High-Extinction-Ratio Nonvolatile On-Chip Switches Based on Structured Phase Change Materials為題，在線發表在Laser & Photonics Reviews上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市硅光重大專項和中科院青年創新促進會的支持。浙江大學科研人員參與研究。

（a）亞波長相變硅光開關結構示意圖及SEM照片；（b）器件分別處于ON（上圖）和 OFF（下圖）開關狀態時的光場強度分布；（c）不同能量的單個晶化脈沖對光開關傳輸率的影響；（d） 多級光開關各級傳輸譜測試結果；（e）光開關復位操作測試結果