[论文解读] Ultra-compact nonvolatile phase shifter based on electrically reprogrammable transparent phase change materials

Carlos Ríos, Qingyang Du+10 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2021

Phase-change materials and chalcogenides被引用 15

一句话总结

本文提出了一种超紧凑、非易失性移相器，基于电可重编程的Sb₂Se₃，一种透明的相变材料，可通过可逆的结构相变实现零静态功耗操作。该器件在绝缘体上硅（SOI）平台上实现了0.09π/μm的记录相位调制量和0.3 dB/π的低插入损耗，新颖的一次部分非晶化方案显著提升了速度和能量效率。

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.

研究动机与目标

• 开发一种用于可编程光子集成电路的非易失性、高能效移相器。
• 克服基于载流子调制或热光效应的传统移相器的易失性问题。
• 实现在断电后仍能持久保持状态的非易失性操作，支持如存内计算等应用。
• 利用透明、双稳态相变材料实现超紧凑尺寸和高性能。
• 在绝缘体上硅（SOI）平台上展示一种可扩展、兼容代工厂工艺的解决方案。

提出的方法

• 利用Sb₂Se₃作为透明、双稳态相变材料，具有明显的非晶态和晶态结构。
• 实现电驱动的相变过程，以非易失性方式调制折射率。
• 在代工厂加工的绝缘体上硅（SOI）平台上设计集成波导的移相器。
• 采用一次部分非晶化方案，以加速开关速度并降低能耗。
• 通过精确的电控实现局部相变，最大限度减少热串扰。
• 将移相器集成到多种光子电路中，以验证其可重编程功能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用透明相变材料实现非易失性移相器，并实现零静态功耗操作？
• RQ2 在紧凑的SOI兼容器件中，如何优化相位调制效率和插入损耗？
• RQ3 一次部分非晶化工艺对开关速度和能量效率有何影响？
• RQ4 移相器是否能在无持续供电条件下保持稳定、可重构的状态？
• RQ5 通过简化设计与材料工程，器件性能可提升到何种程度？

主要发现

• 该移相器实现了0.09π/μm的记录相位调制量，显著优于以往的非易失性器件。
• 插入损耗测量值为0.3 dB/π，表明光学效率高且传播损耗低。
• 器件实现零静态功耗，断电后仍能持久保持状态。
• 与传统的全非晶化方法相比，一次部分非晶化方案显著提升了开关速度并降低了能耗。
• 成功展示了多种可编程光子器件，包括马赫-曾德尔干涉仪和环形谐振器，均基于该移相器。
• 器件在代工厂加工的SOI平台上实现，证实了其可扩展性及与现有光子集成工艺流程的兼容性。