非易失性电致相变光开关助力超大规模可编程光子集成系统

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

可重构光子器件的性能对于可编程光子集成系统的大规模化至关重要。近日，华盛顿大学的Arka Majumdar团队与英特尔、斯坦福大学及宁波大学合作通过将硫系相变材料Ge₂Sb₂Te₅ (GST)与硅波导及微环谐振腔集成，实现了非常适合超大规模集成的非易失性电致相变光开关。

随着制造工艺的成熟，基于光子集成回路的信息处理因其低延迟、低损耗、高速及并行计算特性而被认为是后摩尔定律时代计算机硬件极有前景的发展方向之一。近年来，复杂的片上光子系统相继被应用于深度学习、量子计算、光学现场可编程逻辑门阵列（FPGA）等热门计算领域。这些应用往往需要性能优异的可重构光子器件以支持其大规模集成。然而，目前可重构光子器件主要依赖于硅、氮化硅、铌酸锂等材料所具有的极其微弱又需要时时通电保持的热光或电光效应。这使得所制造的芯片尺寸庞大且非常耗能，从而制约了片上光子系统的进一步大规模化及实用化。

华盛顿大学团队研发的基于GST的非易失性电致相变光开关作为可重构光子器件的基本构成单元很好的解决了上述问题。相变材料GST具有很强的非易失性光学调制效应，其相变可以通过光脉冲或电脉冲实现并可在没有任何能耗的情况下保持状态达十年之久，非常适用于可重构光子器件。然而，之前的光致或电致相变方法由于各种各样的缺陷，使其很难运用到大规模集成当中。该团队利用在硅波导上掺杂形成的PIN结加热器，成功实现了GST在光子集成回路上的高度可延展电致相变。这一方法使得制作的光开关十分紧凑（消光比对于直波导1.25 dB/μm，对于3 μm长有源区的微环15 dB），具有极低的插入损耗和驱动电压（1–2.5V），由于非易失性而调制能效高，并与CMOS工艺高度兼容。此外，他们首次在光子集成回路上展示了1000多次的可逆电致相变。仅仅受限于实验仪器，这一器件实际具有更高量级的相变次数（理论极限10¹⁵）。通过精确控制电脉冲的波形、功率及脉宽，人们可以期待利用这一器件实现多比特操作以及更高的工作速率（4 MHz）。

该光开关优异的性能将使得超大规模可编程光子集成系统，如光学神经网络、量子光学回路、光学FPGA等的商用化成为可能。其非易失的高对比度特性有望广泛应用于光学的信号处理、二元和多比特存储、算术与逻辑运算、存内计算及神经形态计算。

这一成果于近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是华盛顿大学博士研究生郑佳久。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Nonvolatile Electrically Reconfigurable Integrated Photonic Switch Enabled by a Silicon PIN Diode Heater

Jiajiu Zheng, Zhuoran Fang, Changming Wu, Shifeng Zhu, Peipeng Xu, Jonathan K. Doylend, Sanchit Deshmukh, Eric Pop, Scott Dunham, Mo Li, Arka Majumdar

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202001218

导师介绍

Prof. Arka Majumdar is an Assistant Professor in the departments of Electrical and Computer Engineering and Physics at the University of Washington, Seattle. He received his B. Tech. degree from the Indian Institute of Technology, Kharagpur in 2007, where he was honored with the President’s Gold Medal. Majumdar completed his master’s degree (2009) and Ph.D. (2012) in Electrical Engineering at Stanford University. He spent one year at the University of California, Berkeley (2012-13) and also at Intel Labs as a postdoc in Santa Clara, CA (2013-14). His research interests include developing a hybrid integrated nanophotonic platform using emerging material systems for applications in ultra-low power optical information science, imaging, and microscopy. Majumdar is the recipient of the Young Investigator Award from the Air Force Office of Scientific Research (2015), Intel Early Career Faculty Award (2015), Alfred P. Sloan Research Fellowship for Physics (2018), NSF Career Award (2019), the UW College of Engineering Outstanding Young Faculty Award (2019), and Office of Naval Research Young Investigator Award (2020). He also cofounded Tunoptix, a startup developing mechanically tunable metasurface technology for machine vision and augmented reality visors.

https://people.ece.uw.edu/majumdar_arka/

http://labs.ece.uw.edu/amlab/

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：在研究之始，我们便期望利用GST来实现紧凑又高能效的大规模可编程光子集成系统。为此，我们搭建了集成GST的硅光子平台，研究了其调制性质及多级光致相变（OMEx）并在此基础上制作了低损耗宽带的多端口光开关（ACS Photonics）。然而，此前基于GST的集成光学器件往往由于使用的光致或电致相变方法的局限性而不具有大规模集成的条件。这使得我们理论研究了使用PIN结加热的电致相变方法（ACS AMI），并在本项研究中呈现了实验结果。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是如何控制GST的相变，找到使其稳定相变的电脉冲条件。GST的非晶化需要将其融化并快速淬火，而结晶化则需要将其加热到一个较低的温度并保持一段时间。因此，电脉冲的波形，功率及脉宽都需要很好的控制，否则容易损伤材料。此外，制作这一器件需要两次掺杂，五次电子束曝光套刻，工艺流程很长。这也给研究带来了难度。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该非易失性电致相变光开关具有极高的可延展性，有助于制作超大规模可编程光子集成系统。具体来说，最近比较热门的人工智能加速器可以在尺寸和能耗上直接受益于这一器件。类比于电学中的FPGA，这一器件还可作为光学通用集成回路的基本构成单元让系统网络实现重构。此外，由于这一器件的记忆特性，其还可用于光存储和存内计算。这一研究对于开发高性能计算机硬件的企业与研究机构具有重要意义。