基于石墨烯加热器的非易失性相变集成纳米光子结构电切换建模
应用物理
2020-11-24 v1 光学
摘要
集成纳米光子学的进展使得用于片上通用电子-光子系统的大规模可编程光子集成电路（PICs）成为可能。此类系统依赖微弱的、易失的热光或电光效应，通常可重构性有限，且能耗高、占用面积大。这些挑战可通过硫系相变材料（PCMs，如 Ge2Sb2Te5（GST））来解决，其在相变时以自保持方式提供显著的光学对比度。然而，由于光或电自热驱动方式的可扩展性差，当前基于 PCM 的集成光子应用仅限于单个器件或简单 PICs。相反，通过外部电加热器的热传导加热可实现大规模集成与大面积切换，但快速且节能的电控制尚待实现。在此，我们基于可编程的硅上 GST 平台，对带有石墨烯加热器的 GST 包覆集成纳米光子结构的电切换进行建模。得益于石墨烯的超低热容与高面内热导率，所提结构展现出约 80 MHz 的高切换速度，以及结晶（非晶化）时 19.2 aJ/nm^3（6.6 aJ/nm^3）的高能效，同时实现完全相变以确保强衰减（~6.46 dB/micron）与光学相位（1550 nm 处 ~0.28 dB/micron）调制。与氧化铟锡和硅 p-i-n 加热器相比，带石墨烯加热器的结构在加热与整体性能的品质因数上高出两个数量级。我们的工作促进了对 PICs 上热传导加热所致相变的分析与理解，并支持未来大规模基于 PCM 的电子-光子系统的发展。
引用
@article{arxiv.2002.00749,
title = {Modeling Electrical Switching of Nonvolatile Phase-Change Integrated Nanophotonic Structures with Graphene Heaters},
author = {Jiajiu Zheng and Shifeng Zhu and Peipeng Xu and Scott Dunham and Arka Majumdar},
journal= {arXiv preprint arXiv:2002.00749},
year = {2020}
}