基于Ge2Sb2Se4Te1的可重構光開關的仿真

穆章健，李麗瑩，杜 嘉，陳 楠，劉學靜

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

引 言

光開關是集成光路上的一個基本元器件，起到把光動態(tài)切換到不同路徑的作用。目前，片上光開關通常是基于電光或熱光效應。但是以上兩種效應產生的折射率差異均小于0.01，直接導致了設備的占用面積大且能耗增加。另外，由于這兩種開關機制都是不穩(wěn)定的，需要施加額外的源來維持光開關狀態(tài)。

近幾年，基于相變材料（phase change material，PCM）的片上光開關開始陸續(xù)出現[1]，相比傳統(tǒng)的光開關它們有如下優(yōu)勢：1）在相變過程中能夠形成巨大的光學調制特性和電阻率差異，如相變前后折射率差值大于1[2]，可以微化器件的結構；2）相變是非易失性的，即在晶態(tài)和非晶態(tài)的時候本身都比較穩(wěn)定，不需要額外的能量來維持；3）在晶態(tài)和非晶態(tài)之間可實現ns級的快速轉換；4）可實現多次穩(wěn)定反復相變（可達1012個循環(huán)）。盡管基于相變材料的片開關具有這些吸引人的功能，但傳統(tǒng)相變材料的高光吸收能力嚴重損害了現有基于相變材料的光開關的性能。兩種最常用的相變材料是VO2和Ge2Sb2Te5（以下均簡稱為GST），它們即使在介電狀態(tài)下，也會產生較高的光學損耗。比如，非晶態(tài)GST（與晶態(tài)相比具有較低的光學損耗）的消光系數k在1 550 nm波長處達到0.7，對應于42 000 dB/cm的衰減，這對于大多數導波設備應用來說是不可接受的。

GST是目前最常用的硫系相變材料，非晶態(tài)的透明波段在中、遠紅外，雖然適用操作波段寬至幾十微米，但在通信波段附近，非晶態(tài)的GST依然有很強的吸收，這在集成光路中會造成明顯的光損耗。品質因數（FOM）是有效折射率的差值（Δn）與消光系數（k）的比值，這一參數已被廣泛用來衡量光開關的性能，并且被確認在光開關器件中與插入損耗和對比度定量相關[3-6]。按照定義，傳統(tǒng)的相變材料總是受到低FOM的困擾，如在1 550 nm波長下GST和VO2的FOM分別大約是0.7和2.1。基于這些材料的光開關無論從理論上還是實驗上均可得出在C波段（1 530～1 565 nm）下插入損耗（IL）達到2 dB或者更高，串口對比度（CT）小于15 dB，都表現出未優(yōu)化的性能。

Zhang等[7]發(fā)現了一種的新型硫系相變材料Ge2Sb2Se4Te1（以下均簡稱為GSST），其來源于傳統(tǒng)相變材料GST，即用Se取代部分Te[8]。新型材料在1 550 nm波長下，呈非晶態(tài)透明狀，相變前后具有足夠大的光學常數反差，有利于在激光器發(fā)出的強吸收波段下，誘導材料發(fā)生快速的可逆相變；各態(tài)穩(wěn)定性好且可長期維持；材料本身易集成。根據對比FOM發(fā)現，GSST在通信波段1 550 nm處的FOM為4.2，大約是GST的2倍。而且在此波長下GSST非晶態(tài)的k值大約是非晶態(tài)GST的1/600，GSST晶態(tài)的k值為0.4左右，雖然比GST的要小，但是仍遠超一般波導器件。

固體硫系相變材料發(fā)生相變需要加熱到其融化溫度或結晶溫度，即當材料處于晶態(tài)時，想要切換到非晶態(tài)則需要給它加一個高能量的長脈沖使溫度超過熔化溫度，然后快速冷卻使原本周期性排列的材料結構變?yōu)闊o序排列，當再給非晶態(tài)狀態(tài)施加下一個低能量的長脈沖使溫度超過晶化溫度但小于熔化溫度，并加熱一段時間后，結構又會變回長程有序的周期性結構[9]。

本文提出了一種基于GSST的三波導定向耦合器式可重構光開關，通過有限元軟件Lumerical來優(yōu)化設計光開關在1 500～1 625 nm波段的光學特性，并利用多物理場仿真軟件COMSOL對根據朗伯比爾定律采用激光加熱的方式進行熱學仿真。本文設計的光開關是一種可重構的光開關，可以重復多次切換，采用激光誘導相變的方式快速可行。

1 光學仿真

光定向耦合器是光學系統(tǒng)中的基礎元件，在光分路器、光開關和光調制器等領域有著重要的應用價值[10]。最簡單的傳統(tǒng)定向耦合器由兩個平行的矩形介質波導組成，當它們互相靠近達到耦合條件時，光功率就會在這兩條波導間相互轉移。本文設計的結構是2×2定向耦合器型的，共有三條波導組成，如圖1所示，（a）為器件的俯視圖，（b）為器件的側面截圖。

圖1 2×2定向耦合器型光開關結構Fig.1 Structure of 2×2 directional coupler type switch

如圖1所示的光開關結構是對稱的，主要材料為氮化硅（SiN），而相變材料是中間SiN波導厚度hp為50 nm的埋層。SiN在紅外波段1 500～1 625 nm處折射率n=2，消光系數k=0[11]。由于相變材料容易被氧化，整個結構需要埋在SiO2內。外側SiN波導設定一樣的中心高度h，然后通過參數掃描的方式優(yōu)化出性能最佳時外側SiN的寬度Ws、中間夾層波導的寬度Wc和外側SiN波導與夾層波導之間距離G。

當GSST處于低損耗的晶態(tài)且外側的SiN波導和中間夾層波導的模式有效折射率neff一致時，隨著兩條波導相互靠近，G會達到一個滿足相位匹配條件的適當值，在此條件下根據超模理論，兩波導之間會發(fā)生光耦合，即光強可以從一條波導傳輸到另外一條波導，這種現象被稱之為“Cross”態(tài)。如果長度足夠長，光強會在兩條平行波導中往復傳遞，符合正弦函數規(guī)律。其中平行部分的長度Leff稱為耦合長度，可以通過控制它從而控制輸出端口的分光比。相反地，在高損耗的GSST晶態(tài)下，由于兩個波導之間的巨大有效折射率差導致兩種孤立模式，相位匹配條件失效，此時光只能在輸入的那條波導內單向傳輸，這種現象被稱之為“Bar”態(tài)。

圖2為GST和GSST在近紅外波段1 500～1 625 nm處的n、k對比。顯然，與GST相比，GSST在兩種狀態(tài)下均顯示出降低的光學損耗，在1 550 nm波長處的FOM要優(yōu)于GST。

圖2 GST與GSST在1 500～1 625 nm波段下非晶態(tài)和晶態(tài)的n、kFig.2 n and k of GST and GSST in amorphous and crystalline states at 1 500-1 625 nm

首先把GSST此波段下非晶態(tài)和晶態(tài)的n、k導入到Lumerical軟件中的Mode Solutions模塊，SiN的高度均設置為450 nm，在寬度400～800 nm內掃描波導本征模下的有效折射率neff，結果如圖3所示。

圖3 波導有效折射率和寬度之間的關系Fig.3 Relation between effective refractive index and width of waveguides

從圖3可以看出，GSST在晶態(tài)時中間夾層波導的neff要高于單條SiN的neff和GSST處于晶態(tài)時夾層波導的neff。根據超模理論，當兩個相同的波導弱耦合時，每個超模都可以表示為兩條波導支持的兩個模態(tài)場的疊加。耦合到一個波導中的光可以視為對稱和反對稱超模的線性組合。這兩個超模在傳播過程中會產生相位差（由于它們的傳播常數不同），從而導致波導之間的能量交換。如果兩個波導的厚度和寬度不完全相同，相速度就會不同，但這種差異不一定會破壞耦合效果。如果相位差別很小，功率轉移仍然可以發(fā)生，但是能量轉移不完全。在非晶態(tài)下選擇合適的寬度可以使單條SiN波導和夾層波導neff相同從而滿足相位匹配條件，產生相同的傳播常數。根據掃描的結果選擇Ws=664 nm、Wc=420 nm，可以在GSST非晶態(tài)下實現外側單條SiN波導和中間夾層波導的neff一致，滿足相位匹配條件。再用Mode Solutions分別對夾層波導在GSST晶態(tài)與非晶態(tài)下進行模場計算，結果如圖4所示。

圖4 夾層波導的模場仿真Fig.4 Simulation of mode field of sandwich waveguide

通過仿真可知，GSST在非晶態(tài)下夾層波導neff為1.615+（1.4×10?4）i，而在晶態(tài)下neff為2.19+0.21i，對比形成了較大的neff差異。再利用FDTD Solutions模塊設計結構，邊界條件選擇完全匹配層（PML），網格尺寸最小化到10 nm。TE和TM模式均能在此結構下工作[12]，但由于TM模式更有利于低損耗的光開關，因此輸入光源選擇TM模式[13]。在1 550 nm波長下依據插入損耗（IL）和輸出串口對比度（CT）為評價參數掃描優(yōu)化，發(fā)現當G為515 nm對應的Lc長度為24.9 μm時光開關的特性最好，此時器件滿足了相位匹配條件。在1 550 nm波長GSST非晶態(tài)的時候IL為?0.013 dB，CT為?41.56 dB；晶態(tài)下IL為?0.33 dB，CT為?34.61 dB。仿真得到的光開關光場分布如圖5所示。

從圖5可以看出，波長在1 550 nm非晶態(tài)時輸入光可以從上面的波導通過耦合完全傳入到下面的輸出端口；在晶態(tài)時，光則只能在上面波導單向傳輸而不能耦合到下面波導，這實現了光開關的作用。把波段擴展為1 500～1 625 nm，對以上結構再次進行仿真，得到IL、CT分別和波長對應的關系，結果如圖6所示。

圖5 在1 550 nm波長下仿真的光場分布Fig.5 Simulations of light field distribution at 1 550 nm

圖6 1 500～1 625 nm波段光開關的IL和CT曲線Fig.6 IL and CT curves of switch across 1 500-1 625 nm band

圖6顯示了設計的光開關在1 500～1 625 nm波段GSST非晶態(tài)下ILs＞?0.36 dB，CTs＜?24 dB；GSST晶態(tài)下ILs＞?0.44 dB，CTs＜?30.46 dB。無論是在非晶態(tài)還是晶態(tài)，都表現出小于1 dB的低ILs，具有較寬的帶寬。Xu等[12]設計了一款基于GST的同類型光開關，在1 510～1 540 nm波段內晶態(tài)和非晶態(tài)下ILs均大于?1 dB，而在非晶態(tài)下CTs小于?15 dB，晶態(tài)下CT小于?20 dB。對比可以發(fā)現基于GSST的定向耦合器型光開關的性能小于基于GST型的，這是由于在紅外波段，GSST的消光系數k遠小于GST的。與Liang等[13]同樣采用GST的設計的不同結構光開關器件相比，本文設計的器件一樣具有顯著的優(yōu)勢。與Zhang等[2]設計的基于GSST的光開關相比，本文設計的光開關在1 550 nm波長下IL很接近，但是在非晶態(tài)和晶態(tài)下的CT值顯得更具有優(yōu)勢，這是由于TM模式更適合2×2式的定向耦合器型光開關。本文設計的光開關耦合長度要遠小于其器件，這對于集成光路的微型化發(fā)展來說更具有優(yōu)勢。

2 熱學仿真

一束高強度的激光入射到半透明的材料內，能量將沉積在材料本身，經吸收轉化成熱量，導致波導的熱場發(fā)生變化[14]。利用上一節(jié)設計的光開關結構并借助多物理場仿真軟件COMSOL進行熱場仿真，研究了利用激光加熱誘導GSST發(fā)生相變模型的可行性。

假設入射光為一束平行入射的單波長激光，且在材料中經歷較少的折射、反射或散射，便可以用朗伯比爾定律來模擬光強。對于光強I，可以將這一定律寫為微分形式，即

式中：z為沿光束方向的坐標；α為材料的吸收系數。由于溫度會隨著空間和時間發(fā)生變化，還需要求解有關材料內溫度分布的控制偏微分方程

式中：Q為熱源項，等于吸收的光；ρ、CP和k分別為材料的密度、恒壓熱容與導熱系數。式（1）與式（2）代表了一個雙向耦合多物理場。

通過查閱相關文獻[13-18]，得知GSST、SiN和SiO2的熱學系數，結果如表1所示。

表1 用于熱仿真的系數Tab.1 Coefficients used for the thermal simulation

從晶態(tài)（C-）到非晶態(tài)（A-）需要一個高能量的短脈沖使GSST的溫度超過熔化溫度900 K，然后快速冷卻使原子排列從有序轉成無序；從非晶態(tài)轉化到晶態(tài)則需要一個低能量的長脈沖，緩慢加熱溫度超過523 K并低于900 K持續(xù)一段時間使原子排列從無序轉成有序。

定義一束波長為532 nm的激光從器件正上方垂直入射，其中光束半徑越大，則GSST薄膜溫差越小，但所需能量增加；半徑越小中心能量越高，溫差就越大，造成中心發(fā)生灼穿但邊緣卻還未熔化的現象。此外，還需考慮薄膜深度上的溫度差異。因此，合適的光束半徑與入射功率對材料相變成功與否至關重要。

為了討論GSST由晶態(tài)轉化為非晶態(tài)的過程：首先，在COMSOL中輸入一個高能量的高斯短脈沖，脈寬設為25 ns，網格選擇極細化；然后，分別以GSST薄膜上表面和下表面中心為原點沿長度方向每隔1 μm插入溫度探針；最后，輸入雙向耦合公式并建模，進行功率和半徑的掃描。結果發(fā)現，在光斑半徑為29 μm、峰值功率為45 mW的時候能夠滿足GSST整體同時達到熔融狀態(tài)并且不會出現灼穿的情況。仿真結果如圖7、圖8所示。

圖7為器件的體溫度和截面溫度分布情況，熱場的分布情況能夠被直觀地觀察。掃描結果表明，峰值功率為45 mW、半徑為29 μm的532 nm激光可以引起24.9 μm長的GSST薄膜完全發(fā)生非晶化過程。從圖8可以看出：GSST薄膜在同一層的中心溫度要高于周圍溫度，分布呈高斯狀；頂部和中間部分溫度首先超過融化值并發(fā)生非晶化過程。

圖7 激光加熱分布情況Fig.7 Distribution of laser heating

圖8 GSST層的上下溫度分布Fig.8 Temperature distribution of top and bottom GSST layer

為了誘導再結晶，需要將GSST加熱到523 K以上但低于900 K，并加熱一段時間。雖然溫度低于熔化溫度，但這一過程更復雜一些。與非晶化只需要一個高斯脈沖不同，晶化過程需要脈沖陣列來完成。因此本文采用了峰值功率20 mW、周期1 μs和占空比0.03%（30 ns）的高斯脈沖陣列，并把GSST層內的最高溫度和最低溫度與時間建立函數。結果發(fā)現：經過一段脈沖陣列加熱后，最高溫度和最低溫度均能滿足高于晶化溫度并低于融化溫度；同一時間下最高溫度與最低溫度差值小于100 K，證明了從非晶態(tài)到晶態(tài)的轉變可行，而且需要較低的能量。

3 結 論

本文對片上基于GSST可重構光開關在TM模式下進行了理論設計和分析。該開關由對稱三波導耦合器組成，在1 500～1 625 nm內分別通過將GSST設置在非晶態(tài)或晶態(tài)來誘導“Cross”或“Bar”態(tài)。GSST在非晶態(tài)下器件IL＞?0.36 dB，CT＜ ?24 dB；GSST在晶態(tài)下IL＞ ?0.44 dB，CT＜?31.2 dB。關于切換條件，發(fā)現一個功率45 mW、脈寬25 ns的短激光脈沖可以使GSST整體溫度超過900 K從晶態(tài)完全轉化到非晶態(tài)；想要實現從非晶態(tài)到晶態(tài)的完全轉化，可以施加多個功率20 mW、周期1 μs和占空比0.03%的脈沖陣列使整體溫度超過523 K。設計的光開關可作為構建塊組裝Benes網絡，可以實現任意復雜度級別的網絡。