硅光集成是指利用CMOS工藝平臺，將實(shí)現(xiàn)高性能調(diào)制、探測、傳輸和復(fù)用等功能的器件集成在同一芯片上，通過規(guī)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(jì)算等提供性能更優(yōu)、更具性價(jià)比的芯片和組件，其中低功耗、高性能的光開關(guān)是硅光集成在上述應(yīng)用場景中都廣泛需要的核心器件。 

　　當(dāng)前硅光集成開關(guān)器件主要采用馬赫-曾德干涉儀或微環(huán)諧振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這些器件存在如占用空間大、對外界溫度敏感和需要持續(xù)的外部電源來維持開關(guān)狀態(tài)導(dǎo)致高靜態(tài)功耗的不足，為高密度的硅光集成帶來了額外的困難。非易失性相變材料被廣泛關(guān)注和研究，如研究人員通過將Ge2Sb2Te5集成到光子器件中來實(shí)現(xiàn)具備可重構(gòu)功能的硅光器件。但普通的Ge2Sb2Te5薄膜在反復(fù)相變的過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，消光比也被制約在10dB量級。針對這一問題，上海微系統(tǒng)所硅光課題組武愛民研究員團(tuán)隊(duì)等提出對Ge2Sb2Te5薄膜進(jìn)行離散化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將支持局域共振的亞波長結(jié)構(gòu)Ge2Sb2Te5集成于標(biāo)準(zhǔn)450nm寬的單模硅光波導(dǎo)上，研制了具有高消光比、小尺寸、低能耗和良好結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的片上光子開關(guān)。 

　　研究團(tuán)隊(duì)提出的器件結(jié)構(gòu)由單模硅光波導(dǎo)和三個(gè)級聯(lián)的Ge2Sb2Te5納米盤組成（圖1a），總體積僅為 0.229μm2×35nm。在通訊波段，Ge2Sb2Te5是一種具有高光學(xué)對比度的材料，非晶態(tài)下，Ge2Sb2Te5的折射率（n）與硅相近，并且具有較低的消光系數(shù)（k），而在晶態(tài)中，Ge2Sb2Te5的折射率將會增大兩倍，通過改變 GST 納米盤的相態(tài)可以調(diào)制沿波導(dǎo)傳輸?shù)墓鈴?qiáng)。如圖1b所示，當(dāng)Ge2Sb2Te5處于非晶態(tài)時(shí)，波導(dǎo)中的光可以正常通過（上圖）；當(dāng)Ge2Sb2Te5處于晶態(tài)時(shí)，沿波導(dǎo)輸入的入射光被Ge2Sb2Te5級聯(lián)微盤吸收或散射，實(shí)現(xiàn)對入射光的截止。受益于Ge2Sb2Te5的非易失性，光開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)是可持續(xù)的，在施加控制脈沖后不會產(chǎn)生額外能量能量消耗。在實(shí)驗(yàn)中，通過對光開關(guān)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(shí)現(xiàn)對相變材料的調(diào)控，此時(shí)波導(dǎo)中傳輸率的變化和脈沖能量的關(guān)系如圖1c所示。實(shí)驗(yàn)測得，該器件在C波段實(shí)現(xiàn)了高達(dá)27dB的超高消光比，并在70nm的寬帶范圍內(nèi)保持20dB以上的高消光性能（圖1d），通過施加特定能量的光脈沖可對不同級狀態(tài)的光開關(guān)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作（圖1e）。Ge2Sb2Te5材料本身已經(jīng)在CMOS平臺上具備了加工能力，與單模波導(dǎo)制備的光開關(guān)結(jié)合能夠非常直接的應(yīng)用于規(guī)?；傻墓庾有酒?，該工作所提出的基于共振光子學(xué)的開關(guān)器件有望在大規(guī)模集成的光互連和光計(jì)算新型架構(gòu)等方面發(fā)揮重要作用。   

　　相關(guān)成果以“Ultracompact High-Extinction-Ratio Nonvolatile On-Chip Switches Based on Structured Phase Change Materials”為題在線發(fā)表在Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.202100717)上。 

　　上海微系統(tǒng)所博士研究生李文霏為該文章的第一作者，浙江大學(xué)金毅副教授、上海微系統(tǒng)所宋志棠研究員和上海微系統(tǒng)所武愛民研究員為論文的共同通訊作者。上述研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、上海市硅光重大專項(xiàng)和中科院青促會的支持。 

　　圖1 （a）亞波長相變硅光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖及SEM照片；（b）器件分別處于ON（上圖）和 OFF（下圖）開關(guān)狀態(tài)時(shí)的光場強(qiáng)度分布；（c）不同能量的單個(gè)晶化脈沖對光開關(guān)傳輸率的影響；（d） 多級光開關(guān)各級傳輸譜測試結(jié)果；（e）光開關(guān)復(fù)位操作測試結(jié)果。 

　　原文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100717