CN113267907A - 一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关 - Google Patents

一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关 Download PDF

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Abstract

一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关，属于光开关技术领域。包括衬底层、波导层、相变材料层、石墨烯传热层、电极层，其特征在于石墨烯裹覆于相变材料上层。本发明利用电脉冲激发石墨烯薄膜产生焦耳热，并通过热传导加热相变材料薄膜，驱动相变材料相态改变，利用相变材料不同晶相间的光学常数差异调控输出光信号大小，即可实现开关控制。对于传统的电光、热光开关，本发明使用导热系数超高的石墨烯材料，增加了传热速率，降低了开关能耗，提高了开关响应速度。本发明具有尺寸小、能耗低、开关响应速度快等优点，在光纤通信领域具有重要的应用前景。

Description

一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关
技术领域
本发明属于光开关技术领域，具体涉及到一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关。
背景技术
光开关作为光通信网络的枢纽，是光通信网络中的重要组成部分。常见的传统光开关有电光开关、热光开关、机械式光开关等，但此类光开关尺寸较大，且需要持续的能量维持其开关状态，无法满足光电器件小尺寸、低能耗、高速度等发展理念，不适用于大规模集成化制备。
基于相变材料的非易失性光开关具有“自保持”特性，不需要多余的能量维持开关状态，有利于实现低能耗开关，且开关转换速度达到亚纳秒量级。目前，基于相变材料的片上光开关的驱动方式主要有自由空间加热、片上耦合加热、电阈值加热等方式。在自由空间光开关中，通过将激光脉冲聚焦到远场中的芯片上来加热相变材料，但自由空间激光由于衍射受限，校准过程缓慢等造成了能量的损失，不利于器件集成优化，不符合低能耗理念；片上光子开关基于波导和相变材料间的近场光脉冲倏逝耦合作用，允许光子开关的全光切换，但导致相变材料不均匀相变，不利于开关稳定调控，且通过这种方法实现大面积集成光子开关网络调控具有挑战性。相比之下，使用长脉冲、低电压单脉冲，诱导相变材料晶化(SET过程)，使用短脉冲、高电压单脉冲，诱导相变材料非晶化(RESET过程)，可以调控开关状态。同时利用外部电极与介质作用产生焦耳热，通过增加传热层的尺寸可以局部选择或任意扩展加热区域，控制不同尺寸相变材料的相变。其次，石墨烯作为一种优良的热导体，具有超高强度、轻薄、可延展等特性，通过石墨烯传导焦耳热，能够快速传递大量热量，有利于相变材料快速相变。使用石墨烯辅助驱动微环光开关，可以降低能耗，有利于形成小尺寸、低能耗、高速度光电器件。
发明内容
本发明提出一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关，目的在于提高开关性能，降低开关能耗，提高开关速度，形成小尺寸、低能耗、高速度开关器件。
为实现上述目的，按照本发明的内容，提供了一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关，其特征在于，包括衬底层(5)、波导层(4)、相变材料层(3)、石墨烯传热层(2)、电极层(1)；
在平面衬底层(5)上有两平行的凸起直线波导结构(11)，在两平行直线波导结构(11)的空隙之间有一独立的凸起的圆环形波导结构(12)；在圆环形波导结构(12)直径平行于直线波导结构(11)的圆环形波导结构(12)的环形处的上表面为相变材料层(3)，相变材料层(3)的上表面为石墨烯传热层(2)，相变材料层(3)两侧的平面衬底层(5)上设有石墨烯传热层(2)，相变材料层(3)上表面的石墨烯传热层(2)与平面衬底层(5)上石墨烯传热层(2)通过侧面(所述的侧面指的是环形处环形结构的内侧面和外侧面)采用石墨烯传热层密封连接成一体；在相变材料层(3)两侧平面衬底层(5)上的石墨烯传热层(2)上分别设有独立的电极层(1)，即两独立的电极层(1)分别位于圆环形波导结构(12)的外部和内部；
所述的直线波导结构均为波导层(4)。
进一步的，电极层分布在圆环形波导结构(12)器件两侧，一侧施加电脉冲，另一侧接地。且电极层材料选为Au、Cu、Pd或Pt，上下方向的厚度为20nm。
进一步的，传热层材料为石墨烯，具有优良的透光性和导热性。
进一步的，波导层(4)采用的Si波导，宽度(沿圆环形波导结构(12)的径向方向)为500nm，厚度为220nm，为矩形波导结构，支持TE单模传输。
进一步的，相变材料层的厚度为几到几十纳米(一般为2-30nm)，宽度与波导宽度一致；相变材料为Ge、Sb、Te合金化合物，即GemSbnTek，代表Ge、Sb、Te可以为任意原子比，但m、n、k均不为0，且相变材料置于波导与传热层中间。
进一步的，为实现开关的可逆转换，SET过程需要施加长脉宽、低电压的单脉冲，RESET过程需要施加短脉宽、高电压的单脉冲；所述的长脉宽和短脉宽是相对的，低电压和高电压是相对的；施加低电压、长脉宽脉冲，诱导相变材料晶化，增大相变材料的光学常数；施加高电压、短脉宽脉冲，诱导相变材料非晶化，使相变材料的光学常数恢复到非晶态参数。
进一步的，开关在使用时，通过电脉冲产生的焦耳热调控相变材料的状态，进而调制波导与相变材料耦合区域的光耦合强度，实现光透过率的控制，调制范围为1.5～1.6μm，实现光开关操作。
本发明基于电脉冲与介质产生的焦耳热诱导相变材料相变，相变材料直接与Si波导耦合，Si波导的折射率为3.45，相变材料通过磁控溅射方式沉积在Si波导上的定义窗口上。
本发明的技术方案
基于相变材料诱导的低能耗光开关的制作及工作步骤如下
步骤一：波导层制备：将SOI基片旋涂电子束光刻胶，进行电子束曝光，通过反应离子刻蚀形成环形波导结构，洗去多余光刻胶；
步骤二：相变材料层制备：二次旋涂光刻胶，进行电子束曝光，通过反应离子刻蚀形成相变材料溅射窗口；调控磁控溅射镀膜仪功率和时间，在窗口处溅射相变材料薄膜；
步骤三：传热层制备：三次旋涂光刻胶，进行电子束曝光，通过反应离子刻蚀形成传热层窗口，溅射传热层材料；
步骤四：电极层制备：四次旋涂光刻胶，进行电子束曝光，刻蚀出电极窗口，溅射电极材料；
步骤五：施加低电压、长脉宽脉冲，诱导相变材料晶化，增大相变材料的光学常数，增强波导与相变材料耦合区域的耦合强度，形成开关的“Bar”状态。
步骤六：施加高电压、短脉宽脉冲，诱导相变材料非晶化，使相变材料的光学常数恢复到非晶态参数，形成开关的“Cross”状态。
本发明的开关类型为环形谐振腔型，不同晶态相变材料的光学常数在C波段有明显差异。
通过以上操作可以实现一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关。
本发明具有的有益效果是：
本发明使用的相变材料在C波段时非晶态和晶态间的光学常数差异大，更易增大开关的消光比，提高开关对比度；同时相变材料具有非易失性，能实现器件“自保持”特性，仅仅在开关转换过程中消耗能量，不需要多余的能量维持开关状态；其次一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关，相变材料区域大小可变，传热层的尺寸随相变材料的尺寸变化而变化；基于热传导调控的光开关，开关能耗低、速度快。
本发明提出了一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关，与传统光开关相比，基于相变材料的低能耗波导光开关仅通过电脉冲产生的焦耳热改变相变材料的状态，实现开关操作，大大减小了能耗，且开关转换速度达到纳秒量级，提高了光开关响应速度，有利于形成“绿色器件”，适合于可重构、可调谐的光子网络系统。
附图说明
图1是基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关结构示意图；
图2是基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关的截面图，对应图1中的A-B截面；
电极层1、传热层2、相变材料层3、波导层4、衬底层5、直线波导结构11、圆环形波导结构12。
图3是实施例1基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关的模式分布图，(a)相变材料为非晶态时，(b)相变材料为晶态时；
图4是实施例1基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关的(a)-(b)光场传输图和(c)-(d)光学性能图；
图5是实施例1基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关在开关转换过程中的温度响应曲线，(a)SET过程，(b)RESET过程；
图6是实施例1开关速度响应曲线，(a)电脉冲的脉宽及热弛豫时间，(b)SET过程中，脉宽与电压幅值及热弛豫时间的关系。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行进一步的说明，本实例只适用于对本发明进行进一步的详细说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。
一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关的开关原理在于在电极上施加长脉宽，低电压单脉冲诱导相变材料晶化，使相变材料的折射率n和消光系数k升高，波导中的光能量被耦合进入相变材料中并被其吸收，使开关状态由“Cross”态转换为“Bar”态，此时，即使不需要多余的能量维持开关状态；当在电极上施加短脉宽，高电压单脉冲诱导相变材料非晶化，使晶态相变材料的折射率n和消光系数k恢复到原始状态，此时波导中的光被束缚在Si波导中，使开关由“Bar”态转换为“Cross”态，此时即使撤去电压，开关状态保持不变。
如图1、图2所示，基于相变材料Ge2Sb2Te5的石墨烯辅助驱动微环光开关，包括依此堆叠的电极层1、传热层2、相变材料层3、波导层4和衬底层5。电极层1的材料可为Au、Cu、Pd或Pt，厚度为20nm，分别置于器件两侧，一侧施加正电压脉冲，另一侧接地。传热层2的材料为石墨烯。相变材料层3具有非易失相变特性，可在不同脉宽、不同电压电脉冲作用下发生可逆相变。相变材料层3的厚度为几到几十纳米，长度为2μm，宽度为500nm。波导层4为Si波导层，其厚度为220nm，宽度为500nm。衬底层5包括Si衬底和3μm厚的SiO2掩埋层。
图3是本实施例提供的一种基于相变材料Ge2Sb2Te5的石墨烯辅助驱动微环光开关在开关转换过程中，波导与相变材料耦合区域的模式分布，当相变材料为非晶态时，模式束缚在Si波导中，相变材料为晶态时，模式上移到相变材料层中。图4是本发明实例提供的一种基于相变材料Ge2Sb2Te5的石墨烯辅助驱动微环光开关的光传输和光学性能图。可知，在1550nm处，当相变材料为非晶态时，开关表现为“Cross”输出，“Bar”和“Cross”端之间的开关对比度达到了60％；当相变材料为晶态时，开关表现为“Bar”输出，“Bar”和“Cross”端之间的开关对比度达到了80％。
图5是本发明实施例提供的一种基于相变材料Ge2Sb2Te5的石墨烯辅助驱动微环光开关在开关转换过程中的温度响应曲线。SET过程应用脉宽为5ns的1.4V电压，相变材料的温度达到了结晶阈值(433K)，其能耗为3.528pJ；RESET过程应用脉宽为700ps的4.3V电压，相变材料的温度高于非晶化温度(893K)，其能耗为525pJ。
图6是本发明实施例提供的一种基于相变材料Ge2Sb2Te5的石墨烯辅助驱动微环光开关的瞬态响应曲线。图6(b)展示了达到相变材料完全晶化，不同电脉冲幅值下需要的脉宽。可知，脉宽为5ns时，其电压为1.4V，此时对应的热弛豫时间τ为16ns。
实施例1
一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关，包括：
(1)应用电子束曝光-反应离子刻蚀技术，在SOI圆晶上刻蚀出微环谐振腔结构，厚度为220nm，宽度为500nm；
(2)二次应用电子束曝光-反应离子刻蚀技术，在基片上制备相变材料溅射窗口，应用磁控溅射镀膜技术在基片上沉积30nm厚的Ge2Sb2Te5薄膜；
(3)三次应用电子束曝光-反应离子刻蚀技术，在基片上制备传热层溅射窗口，应用磁控溅射镀膜技术在基片上沉积石墨烯薄膜；
(4)四次应用电子束曝光-反应离子刻蚀技术，在基片上制备电极层溅射窗口，应用磁控溅射镀膜技术在基片上沉积Cu薄膜。
实施例2
一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关，包括：
(1)应用电子束曝光-反应离子刻蚀技术，在SOI圆晶上刻蚀出微环谐振腔结构，厚度为220nm，宽度为500nm；
(2)二次应用电子束曝光-反应离子刻蚀技术，在基片上制备相变材料溅射窗口，应用磁控溅射镀膜技术在基片上沉积30nm厚的Ge1Sb2Te4薄膜；
(3)三次应用电子束曝光-反应离子刻蚀技术，在基片上制备传热层溅射窗口，应用磁控溅射镀膜技术在基片上沉积石墨烯薄膜；
(4)四次应用电子束曝光-反应离子刻蚀技术，在基片上制备电极层溅射窗口，应用磁控溅射镀膜技术在基片上沉积Au薄膜。
实施例3
一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关，包括：
(1)应用电子束曝光-反应离子刻蚀技术，在SOI圆晶上刻蚀出微环谐振腔结构，厚度为220nm，宽度为500nm；
(2)二次应用电子束曝光-反应离子刻蚀技术，在基片上制备相变材料溅射窗口，应用磁控溅射镀膜技术在基片上沉积30nm厚的Ge1Sb4Te7薄膜；
(3)三次应用电子束曝光-反应离子刻蚀技术，在基片上制备传热层溅射窗口，应用磁控溅射镀膜技术在基片上沉积石墨烯薄膜；
(4)四次应用电子束曝光-反应离子刻蚀技术，在基片上制备电极层溅射窗口，应用磁控溅射镀膜技术在基片上沉积Pd薄膜。
实施例4
一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关，包括：
(1)应用电子束曝光-反应离子刻蚀技术，在SOI圆晶上刻蚀出微环谐振腔结构，厚度为220nm，宽度为500nm；
(2)二次应用电子束曝光-反应离子刻蚀技术，在基片上制备相变材料溅射窗口，应用磁控溅射镀膜技术在基片上沉积30nm厚的Ge3Sb2Te6薄膜；
(3)三次应用电子束曝光-反应离子刻蚀技术，在基片上制备传热层溅射窗口，应用磁控溅射镀膜技术在基片上沉积石墨烯薄膜；
(4)四次应用电子束曝光-反应离子刻蚀技术，在基片上制备电极层溅射窗口，应用磁控溅射镀膜技术在基片上沉积Pt薄膜。
实施例2-实施例4中采用不同原子比的相变材料，相对于实施例1只是折射率有细微差别，其相变速率与实施例1都在亚纳秒量级，所以和实施例1具有基本相似的性能。
以上所述的具体描述，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的说明，以上所述只是本发明的具体实施案例，并不限定于本发明的保护范围。凡是本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关，其特征在于，包括衬底层(5)、波导层(4)、相变材料层(3)、石墨烯传热层(2)、电极层(1)；
在平面衬底层(5)上有两平行的凸起直线波导结构(11)，在两平行直线波导结构(11)的空隙之间有一独立的凸起的圆环形波导结构(12)；在圆环形波导结构(12)直径平行于直线波导结构(11)的圆环形波导结构(12)的环形处的上表面为相变材料层(3)，相变材料层(3)的上表面为石墨烯传热层(2)，相变材料层(3)两侧的平面衬底层(5)上设有石墨烯传热层(2)，相变材料层(3)上表面的石墨烯传热层(2)与平面衬底层(5)上石墨烯传热层(2)通过侧面(所述的侧面指的是环形处环形结构的内侧面和外侧面)采用石墨烯传热层密封连接成一体；在相变材料层(3)两侧平面衬底层(5)上的石墨烯传热层(2)上分别设有独立的电极层(1)，即两独立的电极层(1)分别位于圆环形波导结构(12)的外部和内部；
所述的直线波导结构均为波导层(4)。
2.按照权利要求1所述的一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关，其特征在于，电极层分布在圆环形波导结构(12)器件两侧，一侧施加电脉冲，另一侧接地。且电极层材料选为Au、Cu、Pd或Pt；优选上下方向的厚度为20nm。
3.按照权利要求1所述的一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关，其特征在于，波导层(4)采用的Si波导，宽度为500nm，厚度为220nm，为矩形波导结构，支持TE单模传输。
4.按照权利要求1所述的一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关，其特征在于，相变材料层的厚度为几到几十纳米，宽度与波导宽度一致；相变材料为Ge、Sb、Te合金化合物，即GemSbnTek，代表Ge、Sb、Te可以为任意原子比，但m、n、k均不为0，且相变材料置于波导与传热层中间。
5.按照权利要求1所述的一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关，其特征在于，SET过程需要施加长脉宽、低电压的单脉冲，RESET过程需要施加短脉宽、高电压的单脉冲；所述的长脉宽和短脉宽是相对的，低电压和高电压是相对的；施加低电压、长脉宽脉冲，诱导相变材料晶化，增大相变材料的光学常数；施加高电压、短脉宽脉冲，诱导相变材料非晶化，使相变材料的光学常数恢复到非晶态参数。
6.按照权利要求1所述的一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关，其特征在于，开关在使用时，通过电脉冲产生的焦耳热调控相变材料的状态，进而调制波导与相变材料耦合区域的光耦合强度，实现光透过率的控制，调制范围为1.5～1.6μm，实现光开关操作。
7.按照权利要求1所述的一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关，其特征在于，基于电脉冲与介质产生焦耳热诱导相变材料相变，相变材料直接与Si波导耦合，Si波导的折射率为3.45，相变材料通过磁控溅射方式沉积在Si波导上的定义窗口上。
8.权利要求1所述的一种基于相变材料GemSbnTek的石墨烯辅助驱动微环光开关的制作及工作方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一：波导层制备：将SOI基片旋涂电子束光刻胶，进行电子束曝光，通过反应离子刻蚀形成环形波导结构，洗去多余光刻胶；
步骤二：相变材料层制备：二次旋涂光刻胶，进行电子束曝光，通过反应离子刻蚀形成相变材料溅射窗口；调控磁控溅射镀膜仪功率和时间，在窗口处溅射相变材料薄膜；
步骤三：传热层制备：三次旋涂光刻胶，进行电子束曝光，通过反应离子刻蚀形成传热层窗口，溅射传热层材料；
步骤四：电极层制备：四次旋涂光刻胶，进行电子束曝光，刻蚀出电极窗口，溅射电极材料；
步骤五：施加低电压、长脉宽脉冲，诱导相变材料晶化，增大相变材料的光学常数，增强波导与相变材料耦合区域的耦合强度，形成开关的“Bar”状态；
步骤六：施加高电压、短脉宽脉冲，诱导相变材料非晶化，使相变材料的光学常数恢复到非晶态参数，形成开关的“Cross”状态。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115097569A (zh) * 2022-07-11 2022-09-23 深圳大学 基于氮化硅的微环-亚波长光栅可调谐滤波器
CN115639698A (zh) * 2022-12-07 2023-01-24 之江实验室 基于相变材料硫化锑的c波段硅波导微环调制器及调制方法
CN115657209A (zh) * 2022-12-12 2023-01-31 之江实验室 一种基于硅上硫化锑的1x2微环光开关

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006184345A (ja) * 2004-12-27 2006-07-13 Keio Gijuku 光スイッチ、光シリアル−パラレル変換器、並列ビット遅延可変・波長変換回路及び光時間スイッチ
CN101866066A (zh) * 2010-05-28 2010-10-20 浙江大学 一种相变材料辅助的基于微环的光波导开关
CN102662254A (zh) * 2012-05-02 2012-09-12 浙江大学 基于石墨烯电吸收特性的微环光开关
CN105044929A (zh) * 2015-05-28 2015-11-11 苏州大学 基于石墨烯微环结构的热光调制器及其制造方法
CN110286444A (zh) * 2019-06-14 2019-09-27 浙江大学 一种基于相变材料的可重构微环光开关
CN111258001A (zh) * 2020-03-20 2020-06-09 北京工业大学 基于Si-Ge2Sb2Te5混合波导的片上光子多级开关

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006184345A (ja) * 2004-12-27 2006-07-13 Keio Gijuku 光スイッチ、光シリアル−パラレル変換器、並列ビット遅延可変・波長変換回路及び光時間スイッチ
CN101866066A (zh) * 2010-05-28 2010-10-20 浙江大学 一种相变材料辅助的基于微环的光波导开关
CN102662254A (zh) * 2012-05-02 2012-09-12 浙江大学 基于石墨烯电吸收特性的微环光开关
CN105044929A (zh) * 2015-05-28 2015-11-11 苏州大学 基于石墨烯微环结构的热光调制器及其制造方法
CN110286444A (zh) * 2019-06-14 2019-09-27 浙江大学 一种基于相变材料的可重构微环光开关
CN111258001A (zh) * 2020-03-20 2020-06-09 北京工业大学 基于Si-Ge2Sb2Te5混合波导的片上光子多级开关

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIAJIU ZHENG 等: "Modeling Electrical Switching of Nonvolatile Phase-Change Integrated Nanophotonic Structures with Graphene Heaters", 《ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115097569A (zh) * 2022-07-11 2022-09-23 深圳大学 基于氮化硅的微环-亚波长光栅可调谐滤波器
CN115097569B (zh) * 2022-07-11 2024-04-12 深圳大学 基于氮化硅的微环-亚波长光栅可调谐滤波器
CN115639698A (zh) * 2022-12-07 2023-01-24 之江实验室 基于相变材料硫化锑的c波段硅波导微环调制器及调制方法
CN115657209A (zh) * 2022-12-12 2023-01-31 之江实验室 一种基于硅上硫化锑的1x2微环光开关

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