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

Matthew Delaney, Ioannis Zeimpekis+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2021

Photonic and Optical Devices被引用 9

一句话总结

该论文展示了基于锑三硒化物（Sb₂Se₃）的非易失性、可重构硅光子学，Sb₂Se₃是一种具有超低光学损耗的相变材料。通过利用Sb₂Se₃的大折射率对比度和低传播损耗，作者在马赫-曾德尔干涉仪中实现了超过10π弧度的光学相位控制，并引入纳米光子数字光刻技术，实现高密度、芯片级的光学可重构性。

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.

研究动机与目标

• 解决集成硅光子学中相变材料光学损耗过高的关键挑战。
• 探索Sb₂Se₃作为一种新型相变材料，具备优异光学性能，适用于光子应用。
• 利用低损耗相变实现硅光子电路中非易失性、可重构的光学控制。
• 开发一种可扩展、高密度的芯片级光学功能可重构方法。
• 实现具有最小传播损耗和高动态范围的可编程光学相位调制。

提出的方法

• 利用锑三硒化物（Sb₂Se₃）作为相变材料，其非晶态与晶态之间具有高折射率对比度。
• 将Sb₂Se₃集成到氮化硅波导中，构建低传播损耗的混合光子平台。
• 采用马赫-曾德尔干涉仪结构，使Sb₂Se₃波导充当可调相位延迟器。
• 施加电脉冲以在Sb₂Se₃的非晶态与晶态之间切换，实现非易失性相位跳变。
• 提出纳米光子数字光刻——一种新方法，通过离散、可寻址的Sb₂Se₃单元，实现高分辨率、可重构的光学路由。
• 通过芯片上测量消光比、插入损耗和相位调节范围，表征光学性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 Sb₂Se₃能否作为低损耗、高对比度的相变材料，用于非易失性硅光子学？
• RQ2 在紧凑的马赫-曾德尔干涉仪中，Sb₂Se₃可实现的最大光学相位调制是多少？
• RQ3 在集成光子平台中，Sb₂Se₃的光学损耗与传统相变材料（如GST）相比如何？
• RQ4 纳米光子数字光刻能否实现在硅芯片上高密度、可重构的光学功能？
• RQ5 使用Sb₂Se₃实现非易失性光学开关的能量效率和稳定性如何？

主要发现

• Sb₂Se₃在C波段的传播损耗约为0.15 dB/cm，显著低于传统硫族化物材料。
• 该材料在非晶态与晶态之间的折射率对比度约为2.5，可实现强光学调制。
• 采用Sb₂Se₃相位延迟器的马赫-曾德尔干涉仪实现了超过10π弧度的非易失性相位控制，可完全重构干涉态。
• 在优化配置下，器件的消光比约为20 dB，插入损耗约为3.5 dB。
• 纳米光子数字光刻技术使可重构光学功能的芯片面积比传统干涉仪阵列小一个数量级以上。
• 相变过程在多次循环中保持稳定，滞后效应极小，单次开关能耗极低。