IEEE SiPhotonics2025 | 使用Ge2Sb2Te3S2的非易失性硅微环谐振器开关用于下一代光电子集成芯片
引言在人工智能和深度学习应用快速发展的背景下，高效的矩阵运算对满足计算需求非常重要。使用微环谐振器(MRR)的硅基光电子集成芯片(PIC)因其紧凑的尺寸和在光域中执行高速并行处理的能力，成为这些运算的理想解决方案。本文探讨了使用相变材料Ge2Sb2Te3S2(GSTS)创建具有卓越性能特性的非易失性光开关的创新方法。
1基于MRR的光电子集成芯片简介基于微环谐振器的硅基光电子集成芯片在光域执行矩阵运算方面具有显着优势。这些运算对深度学习应用至为重要，计算效率直接影响性能。MRR通过精确的光学权重调制完成这些运算，其中强度调制提供对光功率的直接控制。这种方法实现了更简单、更稳健的矩阵乘法实现，可跨宽波长范围工作。
传统的相变材料如Ge2Sb2Te5(GST)即使在非晶态下也表现出不可忽略的光吸收，这降低了MRR的品质因数(Q因子)。这一限制制约了多波长应用中的有效性，而在这些应用中，高Q因子对于最大化可用波长通道至为重要。图1：集成了GSTS强度调制器的硅微环谐振器三维示意图。
2Ge2Sb2Te3S2作为相变材料的优势Ge2Sb2Te3S2(GSTS)相比传统相变材料代表了重大进步。作为宽禁带PCM，GSTS提供几个关键优势：在非晶态下具有可忽略的光吸收，保留了MRR的Q因子；晶态时提供显着吸收，实现有效的光开关功能；与Ge2Sb2Se4Te1(GSST)等替代品相比，材料无毒；比其他宽禁带PCM如Sb2S3提供更大的光吸收对比度；支持超出C波段的宽带操作。
这些特性使GSTS成为光电子集成芯片中低插入损耗光强度调制器的理想选择，特别适用于需要多波长操作的应用。在宽光谱范围内保持高性能的能力使其在需要波长多样性增加计算能力的先进深度学习应用中特别有价值。
3制造工艺MRR开关与GSTS强度调制器的制造遵循系统化流程。研究人员首先在220纳米厚的硅绝缘体(SOI)晶圆上形成MRR和带光栅耦合器的总线波导。然后使用等离子体增强化学气相沉积法沉积400纳米厚的SiO2包覆层。通过电子束光刻在包覆层中创建2微米宽的窗口。随后使用射频溅射沉积20纳米厚的GSTS层和20纳米厚的SiO2保护层。最后，这些层被图案化以定义强度调制器区域。完成的MRR半径为20微米。图2：(a) GSTS强度调制器的制造步骤。(b) 带有8微米长GSTS强度调制器的已制造MRR的显微镜图像。
4实验结果和性能分析为评估GSTS强度调制器的光衰减特性，研究人员测量了不同长度的GSTS在非晶态和晶态下直波导的传输光谱。结果表明，即使在80微米长调制器中，非晶态GSTS也表现出最小衰减(0.0062 dB/微米)。相比之下，晶化GSTS(通过在210°C退火实现)显示显着增加的衰减，达2.3 dB/微米。这种巨大对比使得在"开"状态下具有可忽略插入损耗的高消光比开关成为可能。状态间的实质性差异为在光电子集成芯片中创建有效的光开关提供了优秀基础。图3：GSTS强度调制器的衰减与长度的函数关系，显示非晶态和晶态之间的显着差异。
接下来，研究人员比较了有和没有GSTS强度调制器的MRR的传输光谱。测量确认，即使集成了8微米长的非晶态GSTS层，MRR也保持其高Q因子(9.7×10⁴)，几乎与没有GSTS的MRR(4.9×10⁴)相同。Q因子的保存对于确保MRR高效运行所需的谐振特性保持完整至关重要。非晶态下对性能影响可忽略表明GSTS集成不会损害MRR的基本运行原理。图4：带和不带非晶态GSTS的MRR的传输光谱，显示GSTS集成后Q因子的保存。
最后，研究人员通过测量晶化GSTS的MRR性能演示了光开关。使用8微米长晶化GSTS光强度调制器，传输光谱显着平坦化，类似于标准直波导，完全消除了谐振效应。这证明了在不损害Q因子的情况下，在谐振和非谐振状态之间进行有效切换。由于GSTS吸收对波长依赖性最小，在1490纳米到1560纳米的宽波长范围内实现了均匀切换，突显了多波长光电子集成芯片的潜力。图5：带和不带晶态GSTS的MRR的传输光谱，显示在宽波长范围内有效抑制谐振峰。
5结论和未来应用使用GSTS作为光强度调制器的非易失性MRR开关代表了光电子集成芯片的进步。非晶态GSTS中吸收的缺乏结合晶态GSTS中的高吸收，实现了在保留MRR Q因子的同时跨宽波长范围的光开关。这种方法促进了跨多个波长的精确高效权重调制，为更紧凑、更节能的光子神经网络提供基础。
该技术对解决深度学习应用日益增长的计算需求显示出特别的优势。通过实现高Q因子的多波长操作，这些基于GSTS的开关可以显着增加光子神经网络的处理能力。开关机制的非易失性也减少了功耗，因为器件无需持续供电即可维持其状态。高性能、低功耗和宽带操作的组合使基于GSTS的MRR开关成为下一代光计算系统的关键技术。
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