[論文レビュー] Ultra-compact nonvolatile phase shifter based on electrically reprogrammable transparent phase change materials

Carlos Ríos, Qingyang Du+10 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2021

Phase-change materials and chalcogenides被引用数 15

ひとこと要約

本論文では、可逆的構造的相転移を介してゼロ静的消費電力動作を実現する、透明な相変態材料である電気的に再プログラミング可能なSb₂Se₃を用いた、超コンactな非揮発性位相シフタを提案する。このデバイスは、シリコンオンインサレータ（SOI）プラットフォーム上で、記録的な位相変調量0.09π/μmおよび低挿入損失0.3 dB/πを達成しており、高速かつ高エネルギー効率を向上させる新規なワンステップ部分アモルファス化スキームを採用している。

ABSTRACT

Energy-efficient programmable photonic integrated circuits (PICs) are the cornerstone of on-chip classical and quantum optical technologies. Optical phase shifters constitute the fundamental building blocks which enable these programmable PICs. Thus far, carrier modulation and thermo-optical effect are the chosen phenomena for ultrafast and low-loss phase shifters, respectively; however, the state and information they carry are lost once the power is turned off-they are volatile. The volatility not only compromises energy efficiency due to their demand for constant power supply, but also precludes them from emerging applications such as in-memory computing. To circumvent this limitation, we introduce a novel phase shifting mechanism that exploits the nonvolatile refractive index modulation upon structural phase transition of Sb$_{2}$Se$_{3}$, a bi-stable transparent phase change material. A zero-static power and electrically-driven phase shifter was realized on a foundry-processed silicon-on-insulator platform, featuring record phase modulation up to 0.09 $π$/$μ$m and a low insertion loss of 0.3 dB/$π$, which can be further improved upon streamlined design. We also pioneered a one-step partial amorphization scheme to enhance the speed and energy efficiency of PCM devices. A diverse cohort of programmable photonic devices were demonstrated based on the ultra-compact PCM phase shifter.

研究の動機と目的

• プログラマブル光集積回路向けに非揮発的かつエネルギー効率の高い位相シフタを開発すること。
• キャリア制御またはサーモオプティカル効果に基づく従来の位相シフタの揮発性を克服すること。
• 継続的な電力供給なしに恒久的な状態保持を可能とし、メモリ内計算などの応用を支援すること。
• 透明で二安定な相変態材料を用いて、超コンactなフォトニクスフォトニクスと高い性能を実現すること。
• シリコンオンインサレータ（SOI）プラットフォーム上でスケーラブルかつファブリケーション対応のソリューションを実証すること。

提案手法

• 明瞭で二安定な相変態材料としてのSb₂Se₃の利用、アモルファス相と結晶相の明確な差異を有する。
• 電気駆動による相転移を実装し、非揮発的に屈折率を変調すること。
• ファブリケーション処理済みシリコンオンインサレータ（SOI）プラットフォーム上に波ガイド統合型位相シフタを設計すること。
• スイッチング速度の向上とエネルギー消費の低減を図るため、ワンステップ部分アモルファス化スキームを採用すること。
• 局所的相転移を最小限の熱的クロストークスを伴って誘発するための正確な電気的制御を採用すること。
• 再プログラミング可能な機能を検証するために、多様なフォトニクス回路に位相シフタを統合すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゼロ静的消費電力動作を実現する透明相変態材料を用いた非揮発性位相シフタは実現可能か？
• RQ2 コンパactなSOI準拠デバイスにおいて、位相変調効率と挿入損失をどのように最適化できるか？
• RQ3 ワンステップ部分アモルファス化プロセスは、スイッチング速度とエネルギー効率にどのような影響を与えるか？
• RQ4 継続的な電力供給なしに、安定した再設定可能な状態を維持できるか？
• RQ5 簡素化された設計と材料工学を通じて、デバイス性能をどの程度向上できるか？

主な発見

• 位相シフタは記録的な位相変調量0.09π/μmを達成しており、従来の非揮発性デバイスを著しく上回っている。
• 挿入損失は0.3 dB/πで測定され、高い光学効率と低損失伝送を示している。
• ゼロ静的消費電力で動作し、電源を切った後も恒久的な状態保持が可能である。
• ワンステップ部分アモルファス化スキームは、従来の全アモルファス化法と比較してスイッチング速度を向上させるとともにエネルギー消費を低減している。
• マハーズェンダ干渉計やリングレゾネータを含む多様なプログラマブルフォトニクス素子が、この位相シフタを用いて成功裏に実証された。
• デバイスはファブリケーション処理済みSOIプラットフォーム上にプロセスされ、スケーラビリティおよび既存のフォトニクス統合ワークフローとの互換性が確認された。