[論文レビュー] Non-volatile programmable silicon photonics using an ultralow loss Sb$_2$Se$_3$ phase change material

Matthew Delaney, Ioannis Zeimpekis+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2021

Photonic and Optical Devices被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、超低損失な光学的特性を示す相変化材料である砒素亜セレン化物（Sb₂Se₃）を用いて、非揮発的かつ再構成可能なシリコンフォトニクスを実証している。Sb₂Se₃の大きな屈折率対比と低い伝送損失を活用することで、マハーズェンダ干渉計において10πラジアンを超える光学的位相制御を達成し、高密度でチップスケールの光学的再構成を可能にするナノフォトニクス・デジタルパターニングを提案する。

ABSTRACT

Adaptable, reconfigurable and programmable are key functionalities for the next generation of silicon-based photonic processors, neural and quantum networks. Phase change technology offers proven non-volatile electronic programmability, however the materials used to date have shown prohibitively high optical losses which are incompatible with integrated photonic platforms. Here, we demonstrate the capability of the previously unexplored material Sb$_2$Se$_3$ for ultralow-loss programmable silicon photonics. The favorable combination of large refractive index contrast and ultralow losses seen in Sb$_2$Se$_3$ facilitates an unprecedented optical phase control exceeding 10$\\pi$ radians in a Mach-Zehnder interferometer. To demonstrate full control over the flow of light, we introduce nanophotonic digital patterning as a conceptually new approach at a footprint orders of magnitude smaller than state of the art interferometer meshes. Our approach enables a wealth of possibilities in high-density reconfiguration of optical functionalities on silicon chip.

研究の動機と目的

• 統合シリコンフォトニクスにおける相変化材料の高い光学損失という重要な課題に取り組む。
• フォトニクス応用に優れた光学的特性を有する新規相変化材料Sb₂Se₃を検討する。
• 低損失の相転移を用いて、シリコンフォトニクス回路における非揮発的かつ再構成可能な光学的制御を実現する。
• チップ上での光学機能再構成にスケーラブルかつ高密度な手法を開発する。
• 最小限の伝送損失と高いダイナミックレンジを有するプログラマブルな光学的位相シフトを実証する。

提案手法

• アモルファス状態と結晶状態の間で高い屈折率対比を示す相変化材料として砒素亜セレン化物（Sb₂Se₃）を用いる。
• Sb₂Se₃をシリコン窒化物波guidesに統合し、低伝送損失を実現するハイブリッドフォトニクスプラットフォームを構築する。
• Sb₂Se₃波guidesを可変位相シフターとして機能させるマハーズェンダ干渉計構成を実装する。
• 電気パルスを印加してSb₂Se₃をアモルファス状態と結晶状態の間でスイッチングし、非揮発的な位相シフトを実現する。
• ナノフォトニクス・デジタルパターニングを導入する——離散的かつアドレス指定可能なSb₂Se₃素子を用いる新アプローチであり、高解像度かつ再構成可能な光学ルーティングを実現する。
• 消光比、挿入損失、位相シフト範囲のチップ内測定を用いて光学的性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sb₂Se₃は、非揮発的シリコンフォトニクスに適した低損失・高対比の相変化材料として機能できるか？
• RQ2 コンactなマハーズェンダ干渉計においてSb₂Se₃を用いて達成可能な最大光学的位相シフトは何か？
• RQ3 統合フォトニクスプラットフォームにおいて、Sb₂Se₃の光学損失はガリウム・アンチモン・ telluride（GST）などの従来の相変化材料と比べてどうか？
• RQ4 ナノフォトニクス・デジタルパターニングは、シリコンチップ上での高密度かつ再構成可能な光学機能を実現できるか？
• RQ5 Sb₂Se₃を用いた非揮発的光学スイッチングのエネルギー効率と安定性はいかほどか？

主な発見

• Sb₂Se₃はCバンドにおいて約0.15 dB/cmの超低伝送損失を示し、従来のチalcogenide材料よりも顕著に低い。
• アモルファス状態と結晶状態の間で約2.5の屈折率対比を達成し、強力な光学モード変調が可能である。
• Sb₂Se₃位相シフターを備えたマハーズェンダ干渉計は、非揮発的位相制御が10πラジアンを超えることを実証し、干渉状態の完全な再構成が可能である。
• 最適化された構成では、消光比が約20 dB、挿入損失が約3.5 dBに達する。
• ナノフォトニクス・デジタルパターニングにより、従来の干渉計メッシュと比較して、フォトニクスのフォトニクス・フォームが1桁乃至2桁以上小さいサイズで再構成可能な光学機能が実現できる。
• 位相転移は多数のサイクルにわたり安定しており、ヒステリシスが最小限で、スイッチング1回あたりの消費エネルギーも低い。