[論文レビュー] Miniature Multi-Level Optical Memristive Switch Using Phase Change Material

Hanyu Zhang, Linjie Zhou+7 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2019

Phase-change materials and chalcogenides参考文献 14被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、ナノスケールのGe2Sb2Te5（GST）相変化材料でコーティングされたシリコンマルチモード干渉（MMI）構造を用いた小型で多段階の光学メモリスイッチを提案する。電気パルスによりシリコン内で抵抗加熱が発生し、GSTの制御された相転移を実現することで、最大20 dBの対比を示す光学透過率のチューニングが可能となり、静的消費電力なしに任意の中間状態への正確なライト/エラー操作が達成される。

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.

研究の動機と目的

• 集積フォトニクス向けに低消費電力で非揮発性の光学スイッチを開発すること。
• GSTの部分的クリスタライゼーションを制御することで多段階光学モード変調を実現すること。
• 電気パルスを用いて任意の中間状態へのライトおよびエラー操作を可能にすること。
• メモリスイッチの動作をメモリスティブ行動に活かすことで、光学スイッチの静的消費電力を排除すること。
• 高密度フォトニクス集積回路へのスケーラビリティと適合性を実証すること。

提案手法

• 光学路としてシリコンマルチモード干渉（MMI）波ガイド構造を用い、その上にナノスケールのGe2Sb2Te5（GST）膜を堆積する。
• GSTの下にあるシリコン層に電気パルスを印加し、局所的な抵抗加熱を発生させる。
• 電気パルスの振幅と幅を調整することで、GSTの相状態（アモルファスまたは部分的クリスタル）を制御する。
• MMI構造が効率的なモード結合と出力スイッチングを可能にするため、GSTの相を調整することで光学透過率を変調する。
• 外部電力が不要な状態で光学状態を保持するため、メモリスティブ行動を模倣するメモリストルとして動作する。
• パルスパrameterの精密な制御により、複数の中間透過率レベル間の可逆的スイッチングが可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相変化材料を用いた光学スイッチは、多段階的かつ可逆的かつ非揮発的な光学モード変調を達成できるか？
• RQ2 電気パルスをどのように調整することで、GSTの部分的クリスタライゼーションを誘発し、中間光学状態を実現できるか？
• RQ3 外部電力なしに、任意の中間レベルへのライトおよびエラー操作を正確に行えるか？
• RQ4 このようなデバイスで達成可能な最大の光学透過率対比は何か？
• RQ5 このデバイスはミニチュア化され、フォトニクス集積回路プラットフォームに統合可能か？

主な発見

• デバイスは20 dBを超える光学透過率対比を達成し、出力信号の強力なチューニングを実証した。
• 電気パルスの振幅と幅を制御することで、GSTの部分的クリスタライゼーションが成功裏に実現された。
• 高精度な精度で、任意の中間透過率レベルへのライトおよびエラー操作が実験的に実証された。
• 外部電力なしに光学状態が保持されることから、非揮発的かつメモリスティブな動作が確認された。
• スイッチは小型のフォトニクス集積回路に適したフットプリントを有していた。
• 多数のサイクルにわたり繰り返し可能で制御可能なスイッチング動作を示した。