[논문 리뷰] Non-volatile programmable silicon photonics using an ultralow loss Sb$_2$Se$_3$ phase change material

Matthew Delaney, Ioannis Zeimpekis외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 10.

Photonic and Optical Devices인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 초저손실 광학 특성을 지닌 상전이 물질인 산화 antimony triselenide(Sb₂Se₃)를 사용하여 비버니시블이고 재구성 가능한 실리콘 포토닉스를 구현함을 보여준다. Sb₂Se₃의 큰 굴절률 대비 및 낮은 전파 손실을 활용하여, 맥스-젠더 간섭계에서 10π 라디안 이상의 광학적 위상 제어를 달성하고, 고밀도의 칩스케일 광학 재구성 가능성을 위한 나노포토닉 디지털 패터닝을 도입하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 통합 실리콘 포토닉스를 위한 상전이 물질에서의 높은 광학 손실 문제를 해결한다.
• 포토닉스 응용 분야에서 뛰어난 광학 특성을 지닌 새로운 상전이 물질인 Sb₂Se₃를 탐색한다.
• 저손실 상전이를 이용한 비버니시블이고 재구성 가능한 실리콘 포토닉 회로의 광학 제어를 실현한다.
• 칩 상에서 광학 기능을 재구성하기 위한 확장 가능하고 고밀도의 방법을 개발한다.
• 최소한의 전파 손실과 높은 다이내믹 레인지로 프로그래밍 가능한 광학 위상 이동을 구현한다.

제안 방법

• 비정질상과 결정상 간에 높은 굴절률 대비를 보이는 상전이 물질로 산화 antimony triselenide(Sb₂Se₃)를 사용한다.
• Sb₂Se₃를 실리콘 질화물 웨이브가이드에 통합하여 낮은 전파 손실을 지닌 하이브리드 포토닉 플랫폼을 형성한다.
• Sb₂Se₃ 웨이브가이드가 조절 가능한 위상 시프터로 기능하는 맥스-젠더 간섭계 구성 방식을 구현한다.
• 전기 펄스를 적용하여 Sb₂Se₃를 비정질상과 결정상으로 전환함으로써 비버니시블 위상 이동을 유도한다.
• 나노포토닉 디지털 패터닝을 도입한다 — 이는 분리된, 주소 지정 가능한 Sb₂Se₃ 요소를 사용하여 고해상도의 재구성 가능한 광학 루팅을 가능하게 하는 새로운 접근 방식이다.
• 소멸비율, 삽입 손실, 위상 이동 범위를 측정하여 칩 내 측정을 통해 광학 성능을 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Sb₂Se₃는 비버니시블 실리콘 포토닉스를 위한 초저손실, 고대비 상전이 물질로 기능할 수 있는가?
• RQ2 작은 맥스-젠더 간섭계에서 Sb₂Se₃를 사용하여 도달 가능한 최대 광학 위상 이동은 얼마인가?
• RQ3 통합 포토닉 플랫폼에서 Sb₂Se₃의 광학 손실은 기존의 GST와 같은 상전이 물질과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 나노포토닉 디지털 패터닝은 실리콘 칩 상에서 고밀도의 재구성 가능한 광학 기능을 가능하게 하는가?
• RQ5 Sb₂Se₃를 이용한 비버니시블 광학 스위칭의 에너지 효율성과 안정성은 어떠한가?

주요 결과

• Sb₂Se₃는 C밴드에서 약 0.15 dB/cm의 초저손실을 나타내어 기존의 셀레니드 계 물질보다 현저히 낮다.
• 비정질상과 결정상 간의 굴절률 대비가 약 2.5로 매우 높아 강력한 광학 조절이 가능하다.
• Sb₂Se₃ 위상 시프터를 탑재한 맥스-젠더 간섭계는 10π 라디안을 초과하는 비버니시블 위상 제어를 실현하여 간섭 상태의 완전한 재구성 가능성을 확보하였다.
• 최적화된 구성에서 기록비율은 약 20 dB, 삽입 손실은 약 3.5 dB를 기록하였다.
• 나노포토닉 디지털 패터닝은 기존의 간섭계 메시 구조에 비해 크기가 수 개 차수만큼 작은 피드포트로 재구성 가능한 광학 기능을 가능하게 하였다.
• 상전이는 수천 번의 사이클 동안 안정적으로 유지되며, 히스테리시스가 최소화되고 스위칭 당 소비 에너지도 낮다.