[논문 리뷰] Miniature Multi-Level Optical Memristive Switch Using Phase Change Material

Hanyu Zhang, Linjie Zhou외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 08.

Phase-change materials and chalcogenides참고 문헌 14인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 나노스케일의 Ge2Sb2Te5 (GST) 상변화 물질로 코ating된 실리콘 다모드 간섭 구조(MMI)를 기반으로 하는 소형 다중 수준 광 메모리스 스위치를 제시한다. 전기 펄스는 실리콘에서 저항성 가열을 유도하여 GST의 제어된 상전이를 가능하게 하여 최대 20 dB의 대비를 가지며 광 투과율을 조절함으로써 정적 전력 소비 없이 어떤 중간 상태에도 정밀하게 쓰기/지우기 작동을 구현한다.

ABSTRACT

The optical memristive switches are electrically activated optical switches that can memorize the current state. They can be used as optical latching switches in which the switching state is changed only by applying an electrical Write/Erase pulse and maintained without external power supply. We demonstrate an optical memristive switch based on a silicon MMI structure covered with nanoscale-size Ge2Sb2Te5 (GST) material on top. The phase change of GST is triggered by resistive heating of the silicon layer beneath GST with an electrical pulse. Experimental results reveal that the optical transmissivity can be tuned in a controllable and repeatable manner with the maximum transmission contrast exceeding 20 dB. Partial crystallization of GST is obtained by controlling the width and amplitude of the electric pulses. Crucially, we also demonstrate that both Erase and Write operations, to and from any intermediate level, are possible with accurate control of the electrical pulses. Our work marks a significant step forward towards realizing photonic memristive switches without static power consumption, which are highly demanded in high-density large-scale integrated photonics.

연구 동기 및 목표

• 상변화 물질을 이용한 통합 광학 회로를 위한 저전력 비버니셔블 광 스위치를 개발하기 위해.
• GST의 부분적 결정화를 통한 다중 수준 광 조절을 가능하게 하기 위해.
• 전기 펄스를 이용해 어떤 중간 상태에도 쓰기 및 지우기 작동을 정확히 수행하기 위해.
• 메모리스 행동을 활용하여 광 스위칭 중 정적 전력 소비를 제거하기 위해.
• 고밀도 광학 통합 회로 플랫폼과의 확장성 및 호환성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 광학 경로로 실리콘 다모드 간섭(MMI) 웨이브가이드 구조를 사용하고, 그 위에 나노스케일의 Ge2Sb2Te5(GST)층을 증착한다.
• GST 아래의 실리콘 층에 전기 펄스를 인가하여 局부 저항성 가열을 생성한다.
• GST의 상 상태—비정질 또는 부분 결정화 상태—는 전기 펄스의 진폭과 폭을 조절하여 제어된다.
• GST의 상을 조절함으로써 광 투과율을 조절하며, MMI 구조는 효율적인 모드 커플링과 출력 스위칭을 가능하게 한다.
• 지속적인 전원 공급 없이도 광 상태를 유지함으로써 메모리스로 작동하며, 전기 메모리스 행동을 모방한다.
• 펄스 파rameter의 정밀한 제어로 다중 중간 투과 수준 간의 가역적 스위칭이 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상변화 물질 기반 광 스위치가 다중 수준, 가역적, 비버니셔블 광 조절을 달성할 수 있는가?
• RQ2 전기 펄스는 어떻게 조절되어 GST의 부분 결정화를 유도하여 중간 광학 상태를 만들 수 있는가?
• RQ3 정적 전력 소비 없이 어떤 중간 수준에도 정확하게 쓰기 및 지우기 작동을 수행할 수 있는가?
• RQ4 이러한 장치에서 달성 가능한 최대 광 투과 대비는 얼마인가?
• RQ5 장치는 소형화되어 광학 통합 회로 플랫폼에 통합될 수 있는가?

주요 결과

• 장치는 20 dB를 초과하는 광 투과 대비를 달성하여 출력 신호의 강력한 조절 가능성을 입증한다.
• 전기 펄스의 진폭과 폭을 조절하여 GST의 부분 결정화가 성공적으로 달성된다.
• 정밀한 제어로 어떤 중간 투과 수준에도 쓰기 및 지우기 작동이 실험적으로 입증되며 높은 정밀도를 보인다.
• 외부 전원 없이도 광 상태가 유지되어 비버니셔블 메모리스 행동이 확인된다.
• 스위치는 소형 치수를 가지며 고밀도 광학 통합 회로에 적합하다.
• 다수의 사이클에 걸쳐 반복 가능하고 제어 가능한 스위칭 행동을 나타낸다.