[论文解读] 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 6

一句话总结

本论文提出一种基于硅多模干涉（MMI）结构并涂覆纳米级硫锑锗（GST）相变材料的微型多级光学忆阻开关。通过电脉冲在硅中产生电阻加热，实现GST的可控相变，从而调节光透过率，最高可达20 dB对比度，实现对任意中间状态的精确写入/擦除操作，且无需静态功耗。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于相变材料的低功耗、非易失性光学开关，用于集成光子学。
• 通过GST的受控部分结晶实现多级光学调制。
• 利用电脉冲实现对任意中间状态的写入和擦除操作。
• 通过利用忆阻行为，消除光学开关中的静态功耗。
• 展示该器件在高密度光子集成电路平台中的可扩展性和兼容性。

提出的方法

• 采用硅多模干涉（MMI）波导结构作为光路，并在其上沉积纳米级硫锑锗（GST）薄膜。
• 在GST下方的硅层上施加电脉冲，以产生局部电阻加热。
• 通过调节电脉冲的幅度和宽度，控制GST的相态（非晶态或部分结晶态）。
• 通过调节GST相态来调制光透过率，MMI结构实现高效的模式耦合与输出开关。
• 该系统通过在无持续供电下保持光学状态，表现出忆阻器特性，模拟电学忆阻行为。
• 通过精确控制脉冲参数，实现多个中间透射水平之间的可逆切换。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于相变材料的光学开关能否实现多级、可逆且非易失性的光学调制？
• RQ2 如何调节电脉冲以诱导GST实现部分结晶，从而获得中间光学状态？
• RQ3 能否在无功耗条件下，对任意中间水平实现精确的写入和擦除操作？
• RQ4 该器件可实现的最大光学透射对比度是多少？
• RQ5 该器件能否实现微型化并集成到光子集成电路平台中？

主要发现

• 器件实现了超过20 dB的光学透射对比度，证明了输出信号具有强可调谐性。
• 通过调节电脉冲的幅度和宽度，成功实现了GST的部分结晶。
• 实验验证了对任意中间透射水平的写入和擦除操作，且精度高。
• 光学状态在无外部供电下仍能保持，证实了非易失性忆阻行为。
• 该开关具有微型化结构，适用于高密度光子集成电路。
• 该系统在多次循环中表现出可重复且可控的开关行为。