中红外 IV 族光子学平台上的紧凑型非易失性多级 Sb$_2$Se$_3$ 电光开关

这篇理论建模与仿真论文介绍了两种基于绝缘体上锗（GeOI）光子-电子平台的非易失性、宽带、片上 2x2 电光开关的设计和预期性能，工作波长为 2.5 $\mu$m 中红外波长。这些紧凑型器件有助于在单片晶圆上实现大规模集成，其中所有组件均由 IV 族半导体制成。这两种开关分别是双波导定向耦合器（DC）和马赫-曾德尔干涉仪（MZI）。我们假设在平坦化的 GeOI 器件上使用薄膜石墨烯焦耳效应微加热器，以（可逆地）将嵌入 DC 狭缝的 Sb$_2$Se$_3$ 相变材料（PCM）从晶态转变为非晶态。MZI 在其狭缝臂波导中含有这种 PCM。仿真结果显示，两种器件均表现出高性能的双稳态或多稳态交叉开关特性。2x2 DC 的有源耦合长度为 17 $\mu$m，间隙为 130 nm，占地面积为 5 $\mu$m x 31 $\mu$m。在交叉和直通插入损耗 IL 小于 0.3 dB 且光串扰小于 -15 dB 的波长范围内，器件带宽为 30 nm。2x2 MZI 的结果显示，使用 7.8 $\mu$m 长的 Sb$_2$Se$_3$ 狭缝和 5 $\mu$m x 51 $\mu$m 的开关占地面积即可实现交叉开关。通过部分非晶化，两种器件均可实现稳定的多级开关。热学建模显示，通过精确控制施加到石墨烯上的电压脉冲幅度 V（矩形脉冲持续时间为 500 ns），例如使用 6.18 至 7.75 伏特范围内的 V，可以获得 32 个级别。