[논문 리뷰] Ultra-compact nonvolatile phase shifter based on electrically reprogrammable transparent phase change materials

Carlos Ríos, Qingyang Du외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 13.

Phase-change materials and chalcogenides인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 전기적으로 재프로그래밍 가능한 Sb₂Se₃를 기반으로 한 초소형 비揮성 위상이동소자에 대해 제시한다. Sb₂Se₃는 가역적인 구조적 상전이를 통해 정적 전력 소모가 없는 작동을 가능하게 하는 투명한 상변화 물질이다. 실리콘 온 인슐레이터(Insulator) 기반 플랫폼에서 기록적인 위상 조절 능력 0.09π/μm와 낮은 삽입 손실 0.3 dB/π를 달성하였으며, 새로운 일단계 부분 비정질화 기법을 통해 속도와 에너지 효율성이 향상되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 프로그래밍 가능한 광집적 회로를 위한 비휘성이며 에너지 효율적인 위상이동소자 개발
• 적재 전자 조절 또는 열광학 효과에 기반한 기존 위상이동소자의 불안정성 문제 해결
• 지속적인 전력 공급 없이도 상태 유지가 가능한 기술 제공, 예를 들어 메모리 기반 계산 응용 지원
• 투명하고 이중 안정성 있는 상변화 물질을 사용하여 초소형 면적과 고성능 달성
• 실리콘 온 인슐레이터 플랫폼에서 확장 가능하고 패브리케이션 공정에 적합한 솔루션 제공

제안 방법

• 구분 가능한 비정질상과 결정상이 존재하는 투명하고 이중 안정성 있는 상변화 물질인 Sb₂Se₃의 활용
• 전기적 구동을 통한 상전이를 통해 비휘성적인 굴절률 조절 구현
• 패브리케이션 공정을 거친 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기반 파장간섭형 위상이동소자 설계
• 일단계 부분 비정질화 기법을 도입하여 스위칭 속도 향상 및 에너지 소비 감소
• 정밀한 전기 제어를 통해 국소적 상전이를 유도하고 열 간섭 최소화
• 다양한 광집적 회로에 위상이동소자를 통합하여 재프로그래밍 가능한 기능 검증

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정적 전력 소모 없이 작동하는 투명한 상변화 물질을 사용한 비휘성 위상이동소자를 실현할 수 있는가?
• RQ2 소형 SOI 호환 장치에서 위상 조절 효율성과 삽입 손실을 최적화할 수 있는가?
• RQ3 일단계 부분 비정질화 공정이 스위칭 속도와 에너지 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 지속적인 전원 공급 없이도 안정적이고 재구성 가능한 상태를 유지할 수 있는가?
• RQ5 단순화된 설계 및 재료 공학을 통해 장치 성능을 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 위상이동소자는 기록적인 위상 조절 능력 0.09π/μm를 달성하여 이전의 비휘성 장치를 크게 초월하였다.
• 삽입 손실은 0.3 dB/π로 측정되어 높은 광학 효율성과 낮은 전파 손실을 나타낸다.
• 정적 전력 소모가 없어 전원 차단 후에도 지속적인 상태 유지가 가능하다.
• 일단계 부분 비정질화 기법은 기존의 전면 비정질화 방법에 비해 스위칭 속도 향상과 에너지 소비 감소를 개선하였다.
• 마흐-젠더 간섭계 및 링 공진기 등 다양한 프로그래밍 가능한 광집적 소자를 성공적으로 구현하였다.
• 장치는 패브리케이션 공정을 거친 SOI 플랫폼에 제작되어 확장성과 기존 광집적 통합 워크플로우와의 호환성을 입증하였다.