下一代非易失性硅基集成光開關探討

（上海交通大學，上海 200240）

(Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

1 大規模硅基光開關技術難點

寬帶網絡作為中國信息化的重要基礎設施，是承載各種信息化應用的重要載體。美國、韓國、日本、法國、意大利等發達國家都已相繼出臺寬帶發展的新戰略。建設寬帶光網絡是落實中國信息化發展戰略、大力推進國民經濟建設和社會信息化進程的重要舉措；然而，現有的光網絡因缺乏核心光交換器件，即高速、大規模光交換芯片，仍采用電子交換技術。隨著傳輸速率和容量的不斷提升，受“電子瓶頸”的限制，這種交換方式很難滿足中國信息化網絡寬帶、多業務融合、安全等方面的需求，因此迫切需要實現端口數量大、單信道速率高、切換速度快的全光交換芯片。全光交換直接在光域對光信號進行處理，無須經過光-電-光轉換，因而不受“電子瓶頸”的限制，具有高速、寬帶、透明、低功耗以及潛在的低成本等諸多優點。硅基光電子器件具有尺寸小、集成度高，制作工藝與傳統微電子互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝相兼容的特點，因此可以大幅度降低光開關芯片成本[1-2]；但基于目前硅基光電子技術的光開關同時也存在不少問題，主要有以下幾個需要攻克的難點：

（1）擴大光開關陣列的規模。一方面，硅基2×2光開關單元可以具有較高的性能，但是實際應用要求開關陣列端口數較多，損耗和串擾也會在端口數增多時更加嚴重，這大大限制了光開關芯片規模的進一步拓展；另一方面，光開關陣列規模增大意味著芯片尺寸的增大，這就需要芯片在加工工藝中保持均勻性和低缺陷。因此，需要創新設計出性能更好的開關單元器件，優化整體拓撲結構，提高制作工藝精度和穩定性，確保大尺寸芯片中各個單元器件性能的一致性。

（2）降低硅基光開關芯片的損耗和串擾。硅波導相比于二氧化硅波導具有更大的傳輸損耗，也沒有III/V族材料可以對信號進行放大的能力，因此隨著交換端口數目的增加，每條光路上經過的單元器件越多，光路損耗就會隨之增大。硅基光開關陣列通常采用微環和馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）作為開關單元，尤其采用載流子色散效應時對光的隔離度較低，因此串擾較大。硅基光開關芯片的損耗和串擾性能問題會隨著端口數目的增加更加凸顯，這也限制了硅基光開關芯片朝更大規模發展。

（3）降低光開關芯片的驅動功耗。功耗問題是光電子芯片往更高集成度和更大尺寸發展需要解決的一個重要問題。當光開關陣列端口數增加后，芯片的總功耗會呈幾何增長，這不僅對驅動電路提出了更高的挑戰，而且會使芯片溫度急劇升高，影響光開關的正常工作。低功耗是未來集成光電子發展的必然要求。降低光開關芯片功耗需要從光開關單元器件著手，同時減小維持狀態所需的靜態功耗和狀態轉變中的動態功耗。

（4）提高集成密度和調節效率。通常情況下，硅基光電子集成器件通過熱光效應或者載流子色散效應來改變硅材料的特性，從而實現對硅波導的調節。熱光效應的響應速度比較慢，通常在微秒量級，折射率變化在0.01量級。載流子色散效應雖然響應時間快，但其折射率的調節范圍有限，通常只有0.001 量級；因此為了達到180°相位的變化，需要幾百微米長度，導致光開關尺度很大、功耗很高。雖然采用高Q值諧振腔結構或光子晶體慢光結構可以減小器件尺寸，但其工作帶寬通常很小、損耗較大，無法大規模級聯，且對環境溫度變化非常敏感。

（5）消除光開關芯片的偏振相關性。目前，硅波導器件大多采用220 nm厚絕緣體上硅（SOI）晶圓制備，因此光器件大多對偏振比較敏感。硅基光開關芯片一般只支持橫電模（TE）或者橫磁模（TM）偏振的光信號，而實際光通信系統都希望器件能夠交換任意偏振的光。通常實現偏振無光主要是將輸入光分為不同偏振的兩路分別在兩個相同的交換陣列上進行交換處理，交換完后再進行合路輸出。這種方法所需芯片面積增加了一倍，驅動控制也較為復雜；因此，未來光開關芯片的發展需要采用更簡單、更靈巧的方式來實現偏振無關性。

由此可見，采用傳統的硅基光開關方案（如馬赫-曾德爾結構或微環結構）和調節方式（熱調或注入載流子電調）在損耗、串擾、功耗、偏振相關性等方面已不能滿足實際光通信系統對大規模光開關陣列的需求。特別需要指出的是，熱調和電調都需要消耗很大的功耗來保持某一種開關狀態，且開關狀態具有易失性（斷電后開關狀態無法保持）。這限制了光開關規模的拓展，降低了它在光通信系統中的實用性。

2 利用相變材料突破光開關技術瓶頸

2.1 相變材料研究歷史

1968年，斯坦福大學S.OVSHINSKY在研究相變薄膜材料的時候發現了一個規律，即這種材料有一種從無序到有序變化的特點，相變材料也就是從這里進入到人們的視野中。兩 年 后，S. OVSHINSKY與Intel的Moore進行商業合作，并創辦了自己的公司。也就是在那年，第一個256位的相變存儲器誕生。

70年代以后，半導體制備工藝的飛速提升讓相變材料也得到了蓬勃發展。后來，硫系化合物被廣泛使用到了相變材料中，此類化合物主要集中在元素周期表的VI族。硫系相變材料GexSbyTez（GST）作為最出名的相變材料，已經廣泛在可擦寫的光盤中使用，并且GST在常溫下有著晶態和非晶態兩種穩定的形態。這兩種形態在一定的條件下能夠互相地轉變，光盤也就是利用這兩種狀態的有效折射率的不同來存儲二進制的信息。其實GST作為可擦寫光盤的相變存儲材料早就實現了商用，所以對于如何制備該材料，以及如何來回控制狀態的改變都進行了深入的研究。在光學的應用過程中，GST的折射率、吸收率等一系列光學參數也通過理論計算以及大量的實驗測試得到了較為準確的數值，這為以后將GST與已有的硅光平臺相結合來進行集成光子器件的設計提供了重要的數據參考。

2.2 相變材料分類

根據材料是否具有揮發性，一般將相變材料分為兩種：（1）揮發性的相變材料，也就是半導體氧化物或者過渡金屬氧化物，代表物為二氧化釩（VO2）；（2）非易失性的相變材料，也就是一系列的硫系化合物，代表性材料為鍺銻碲合金（GexSbyTez）。

VO2作為經典的揮發性相變材料，具有著金屬相和絕緣體相兩種形態。當其位于68 ℃附近會發生金屬相和絕緣體的相互轉變。當溫度低于68 ℃的時候，VO2處于絕緣體相（單斜晶相），電阻率很大，呈現半導體甚至絕緣體的性能，對通信波段的光源具有非常強的透射率。而當溫度加熱超過68 ℃以上時，VO2處于高溫下的四方紅金石相。它的電導率會發生大幅度的提高，從而發生相變，具有著與金屬相類似的各種電學與光學性質，對通信波段的光的吸收率得到極大提升。在整個相變過程中，VO2并不需要任何其他的操作，只需要等待材料逐漸地冷卻就可以使其轉變到剛開始的絕緣體形態；但是，由于該材料的狀態隨著溫度會發生不斷的改變，因此我們得時時控制VO2周圍的溫度來確保該狀態的穩定，這也就產生了一定的靜態功耗。因為相變的溫度是68 ℃，所以來回相變只需要在室溫中操作即可，從而大大地減小了相變的功耗和操作難度。另一方面這個特性也限制了 VO2在溫度較高的惡劣環境中使用。在制作工藝上，VO2的制備比較困難，尤其是它的其他氧化物。目前能夠制備高質量VO2薄膜的工藝為激光脈沖沉積和外延生長法。

第二類相變材料是硫族化合物，也就是含有元素周期表VI族元素的化合物或者合金等材料。硫系相變材料通常只有碲（Te）和硒（Se）元素，極少數的硫系相變材料含有硫（S）原子。這種非揮發性相變材料和VO2有著很大的不同。硫系化合物是晶體狀態和非晶態狀態的相互改變，而不是VO2那樣的絕緣體態和金屬態的相互轉變，這也就意味著這類材料具有非易失性。也就是當它從一個狀態轉變到另一個狀態后，它將會自動的保持現在的狀態而不需要任何能量的輸入，直到需要改變成下一個狀態；因此，這類材料被廣泛使用在信息存儲中。硫系相變材料在相變存儲介質的巨大優越性受到了學術界以及工業界的持續關注，得到了快速的發展。目前有很多成功的成分都已經商業化，其中最具代表的材料是Ge2Sb2Te5。這類相變材料制作工藝簡單，利用濺射或蒸發等方法都可以在其他材料上沉積薄膜，而且這類材料可以按照需求添加一些其他組分來形成新的材料，比如Ge2Sb2Se4Te1。

2.3 硅和相變材料混合集成

采用相變材料和硅相結合，可以突破目前硅基光電子平面集成光開關在尺寸、功耗、易失性等方面的問題。相變薄膜材料作為存儲介質實現數據存儲，除具有讀寫速度快（納秒量級）、循環次數高（＞1012）、功耗低等特點之外，還與現有的CMOS工藝兼容，技術實現難度和產業成本較低。相變材料在晶態和非晶態時折射率差別巨大，可以通過熱、光、電等多種方式誘導進行相變，且具有穩定的特性。

相比于其他相變材料，GST系列合金是最為成熟的相變材料，具有晶化速率快、非晶態與晶態電阻和折射率變化大、非晶態和晶態之間具有較好的可逆性等優點。GST材料的晶化溫度約為168 ℃，結晶時間可以達到納秒量級，適合于光開關應用。在168℃附近，GST薄膜發生從非晶態到面心立方（FCC）晶態結構的轉變，薄膜方塊電阻緩慢下降。而在300 ℃附近，GST薄膜發生從FCC結構到六方結構（HEX）轉變，電阻進一步下降。最后當溫度高于350 ℃后，電阻基本保持不變。由于非晶態GST薄膜表現為半導體特性，FCC晶態薄膜表現為半金屬特性，而六方晶態薄膜表現為金屬特性，三者的電阻率發生了巨大改變，也導致了光學特性，即材料折射率（包括實部和虛部）發生巨大跳變。

采用GST相變材料的相變特性來調節波導的折射率，使硅波導具有常規熱光效應和載流子色散效應所無法達到的折射率調節幅度[3-5]。由于GST的非晶態和晶態都具有特定的光學特性，因而實現的光開關兩種狀態具有自保持能力。這種調節方式既是數字式的，也具有非易失性，從而能確保大規模光交換芯片的穩定工作，方便構建大容量交換系統。光開關無靜態功耗，只有GST相變時的動態功耗，因而相比于傳統采用熱光效應或載流子色散效應實現的光開關，具有更小的功耗，特別是當光開關狀態需要保持較長時間（切換不頻繁）時，功耗上的優勢更加明顯。

3 硅基相變光開關實現需考慮的問題

（1）GST材料的相變機理及其對光路的調控。GST相變材料是由GeTe和 Sb2Te3通過不同配比得到，結合了GeTe具有較快非晶化速度和Sb2Te3具有較快晶化速度的優點。不同的配比具有不同的性質，需要優化配置獲得最佳光學調控特性。GST晶體具有亞穩相立方結構和穩定相六方結構，但非晶相的結構中原子之間是隨機共價鍵網絡，只具有近程有序性。GST能實現快速相變的機理是因為非晶相和晶相具有一定的相似性，只需要打斷Ge-Te鍵，讓Ge原子在八面體結構和四面體結構之間跳躍（傘型跳躍），就可實現在不同晶體結構間的轉變。這種結構轉變過程中原子的移動很小，非晶化和晶化速度快，從而實現材料在高折射率和低折射率狀態的快速切換，對應于開關的“0”與“1”。實現開關的快速切換需要深入了解高速電場作用下傘型跳躍的工作機制，尤其是Ge-Te鍵的如何快速形成和斷開，從而實現對光路的快速調控。GST晶體具有亞穩相立方結構和穩定相六方結構，但其非晶結構很難確定，因為在非晶時原子排列是無規則的。文獻報道中已用各種實驗方法和理論計算得到很多不同的結果，但到目前為止仍沒有一個統一的結論，還需要進一步探索。此外，對GST薄膜進行摻雜也會對其結構、熱學、電學、光學等材料性能帶來重要影響，需要探索不同摻雜元素在GST薄膜中存在的形式及具體作用，分析摻雜GST薄膜的結晶特性及相變特征。GST材料的光學特性及其在對光路調控方面的應用，與它在微電子相變存儲器中的應用不同，這是將GST材料用于制作光開關芯片的基礎。

（2）基于硅和相變材料混合集成光波導的開關單元結構。在硅波導中引入GST材料形成的新型復合光波導結構，具有新穎的模場特性，其傳播常數和吸收損耗等特征均不同于單質材料波導，需要分析這種光波導的模式耦合、傳輸、控制等問題，以此確定開關單元設計中所需要的復合波導結構和關鍵參數。復合波導與常規硅波導間需要進行模式轉換，充分利用復合波導的開關調控和無源硅波導的傳輸功能。基于GST相變材料構建光開關，需要采用外加電流脈沖或電場誘導實現非晶態與晶態間的相變；因此，在調控部分需設計電阻微加熱器或類似金屬氧化物（MOS）電容電極結構。外加電壓在GST層內產生瞬時強電流或強電場，對GST材料產生作用，實現高速相變。新型相變材料的引入，不能采用傳統的電路模型來分析和設計，需要研究如何與復合波導結合，實現對波導模式的高效調節，從而設計出微米量級超小型光開關單元器件。

（3）大規模無阻塞光開關陣列設計。大端口數的開關陣列是由若干個1×2或者2×2光開關單元通過一定的拓撲結構連接實現。陣列的拓撲結構會影響到光開關芯片的諸多性能，如阻塞性、損耗、串擾、功耗等。通過掌握不同拓撲結構的光開關特點，比較它們各自優缺點，根據相變開關單元的特性（平行和交叉狀態下的損耗、串擾等）來設計大規模陣列的拓撲結構。選擇光開關陣列的拓撲結構，也要考慮如何通過運用整體結構的特點來消除光開關芯片的偏振敏感性。對于大規模陣列，實現優化控制需要監控每個單元的工作狀態，需要開發波導光功率監控技術。這種光功率監控應該具有非侵入性，即不會對所監控的光路產生影響。由于大規模開關陣列中包含的開關單元數目巨大，采用常規的引線鍵合無法實現電極與外部電路的連接，需要采用高密度倒扣焊的方式，實現對每個單元的電學控制。采用常規一維光纖陣列無法進行多端口的輸入和輸出耦合，需要新型的二維光纖陣列或二維多芯光纖與芯片的高效耦合。

（4）大規模光開關陣列芯片制備和測試方法。高質量GST薄膜沉積是相變光開關制作中的關鍵工藝。目前GST薄膜制備方法有蒸發法、濺射法、激光脈沖沉積法、化學氣相沉積法等。不同的制備方法和工藝條件對所形成的GST薄膜純度、穩定性、相變效率等參數有不同影響，可通過多種材料特性表征方法來獲得薄膜物理和化學信息。由于不同成分配比的GST性能差異較大，不同元素的摻雜會影響相變特性，如何簡單、經濟地制備具有穩定可重復相變特性的GST薄膜依然是一個巨大的挑戰。該GST薄膜還需要和硅波導相結合，在制備硅波導和電極過程中，需要保證GST的材料屬性不發生退變。另外，超小型光開關制作還需要高精度的光刻/套刻、干法刻蝕、離子注入、快速熱退火等硅基加工工藝，不同工藝對微納尺度器件的形貌、摻雜分布等產生影響。在完成器件制備后，對光開關的工作速度、帶寬、功耗等性能技術指標進行全面測試和細致分析。根據實驗數據和理論模型提取重要指標參數，分析影響一致性的主要因素，提出模型改進的方法，完善光開關設計和制備技術；因此，需要設計有效的整套工藝制備流程，提高制作工藝中光刻和刻蝕的精度和穩定性，保證大尺寸芯片中各個單元器件性能的均衡性，提高器件性能和成品率，從而實現大規模集成相變光開關芯片。

4 結束語

大容量光交換芯片是Pbit/s信息時代急需突破的難點問題之一。對光電子而言，多端口光交換芯片屬超大規模集成，受折射率調節方式以及器件尺寸、速度、功耗等的限制，采用現有的硅基光開關技術實現仍具有較大挑戰。另外，多端口光交換芯片的控制非常復雜，實用化要求光開關采用數字化控制，且必須是非易失的。采用先進相變材料與硅構成混合集成波導，突破現有光開關結構與性能限制，設計并實現多端口高速、低功耗非易失光交換芯片具有重要意義，可以為下一代光通信和光互連中的全光信息交換提供技術支撐。