前沿 | 相变材料移相器：助力可编程低插损非易失性移相器的小型化集成

研究背景

      片上集成移相器在光通信、激光雷达、光计算等方向的地位至关重要。目前，集成移相器主要实现路径包括：掺杂硅电子注入与耗尽法、铌酸锂电光效应法、磁光效应法、热光调制法以及力学位移法。然而这些传统的方案存在一些本征的劣势，例如高的材料损耗、难与CMOS制备工艺集成以及响应速度过慢等。更重要的是，以上方案都在移相过程中需要保持额外功率的恒定输入（易失性），显著增加了体系的能耗。非易失性器件已成功通过载流子陷进效应、门闩式MEMS以及铁电畴转变实现，然而这些方案都无可避免的带来较高的模式损耗。一个具有高集成度、非易失性的低插损移相器是硅光片上移相器的理想方案。

      硫系玻璃相变材料近年来被证实在非易失性可编程集成光子芯片器件上具备独特的优势，其晶态与非晶态介电常数的巨大差异以及精确可控的材料结晶度可实现对移相的连续控制。其中，低损耗的Sb₂Se₃材料在1550nm通讯波段因具有可忽略的材料吸收损耗以及高达0.77的折射率差使得其成为可编程光子芯片的理想平台，给超小型低功耗片上移相器提供了有效解决方案。

论文导读

      光学移相器已广泛应用于集成光子芯片中，其中可编程移相器更在光通信、光场调控以及光计算领域具有巨大前景。然而现有可编程移相器多为易失性器件，功耗高，并且拥有较高的器件插入损耗。近日，来自麻省理工学院的胡崛隽教授课题组与林肯实验室及中佛罗里达大学的合作者成功实现基于相变材料的超小型低插损可编程集成移相器。该工作利用低损耗硫系玻璃相变材料Sb₂Se₃作为移向媒介，集成于CMOS工艺兼容的硅光平台。研究人员首先设计高热效率的领带结型掺杂硅集成加热器用于相变激励，并在马赫-曾德尔干涉仪（MZI）与微环谐振腔（MRR）平台，成功实现微米量级长度的移相器。此外，为了实现对相变材料逐步非晶化的单脉冲控制，研究人员提出了桥型加热器结构。该结构利用不同桥梁的热分布差异，将相变材料的部分结晶态，从时域的精准控制变换到对空域的精准控制，完成单脉冲电控。研究工作于2022年10月以“Ultra-compact nonvolatile phase shifter based on electrically reprogrammable transparent phase change materials”为题发表于PhotoniX 期刊。

技术突破

      相变材料因在晶相与非晶相的巨大光学常数差异，使其仅需要数微米的长度，即可实现π的相移。研究人员为满足相变材料移相器的制备流程与CMOS工艺兼容，设计n型掺杂硅微型电加热器，并通过产线流片进行制备。最终将相变材料利用热蒸发法沉积于加热器上，形成微型集成移相器。该结构中硅作为波导材料本身的同时，可在外加电脉冲下利用其高电阻发热，实现外加电压对相变材料热致相变的精准控制。此移相器的工作性能在MZI与MRR平台得到了验证，如图1所示，在完全相变条件下，该移相器具有创纪录的0.09π/μm的移相能力与仅0.3dB/π的超低损耗。同时，可通过精细调控结晶电脉冲时长，对非晶态的相变材料进行部分结晶，实现多个中间态的相移量。

      此外，虽相变材料可通过延长单脉冲的时长增加其结晶度（逐步晶化），从高结晶度到低结晶度的转变（逐步非晶化）却仍需依赖于先用一个短强脉冲将相变材料彻底非晶化，再外加第二个调控脉冲再将其调控至目标结晶度。这样的双脉冲构型大幅增加了移相调控的复杂度。因此，研究人员创新性地提出了桥型加热器结构。如图2所示，该结构利用桥梁之间的热分布梯度，从空间上将移相器分为多个温度区域。随着温度的逐渐升高，达到熔点T_m的区域将逐渐非晶化，实现相变材料逐步非晶化的单脉冲控制。该桥型加热器结构在MZI与MRR平台进行了成功验证。

观点评述

      该工作中，研究人员通过CMOS兼容技术制备出电调控的移相器，成功验证该移相器的大规模集成能力。此移相器在现有其他方案中，具有可电控、尺寸小、非易失、低插入损耗等优势；桥型加热器也显著简化了电控脉冲的程序，有助于对移相器相移量的精确调控。该工作可广泛用于光通信路由、相控阵列光场调控以及光计算芯片网络等场景。

主要作者

      Carlos A. Rios Ocampo，哥伦比亚籍科学家，英国剑桥大学博士，麻省理工学院胡崛隽教授课题组博士后，现为美国马里兰大学助理教授。Rios教授在Nature photonics, Science Advance等顶刊发表论文40余篇，并2021年入选Light: Science & Applications杂志评选的Rising Stars of Light。Rios教授的研究方向为相变材料于微纳光学的应用。

      杜清扬，麻省理工学院胡崛隽教授课题组博士、博士后，2021年入选厦门大学南强青年拔尖人才引进计划B类，现任职于之江实验室担任副研究员。杜博士在Optica, Laser & Photonics Reviews等著名期刊发表论文40余篇。现课题组主要研究方向为片上光学非线性、片上磁光隔离器、光计算芯片。

       胡崛隽，麻省理工学院材料科学与工程系终身教授，美国光学学会、陶瓷学会会士。美国NSF CAREER Award以及DARPA Young Faculty Award等奖项的获得者。胡教授在Nature photonics、Nature Communication、Light等杂志发表论文百余篇。现课题组主要研究方向为片上传感、片上磁光隔离器、相变材料、超构透镜以及自由曲面光学。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 现已被SCIE、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等多个数据库收录，并入选《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区》。2022年6月获得首个影响因子：19.818，位列Q1区。

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