基于Sb2S3相变材料的低损耗可重构光开关设计与双偏振功能研究

本文创新性地提出一种基于Sb2S3相变材料（PCM）的混合等离子体波导（HPWG）非易失性1×2光开关，通过非对称定向耦合器（DC）结构实现双偏振（TE/TM模式）操作。该设计在46μm超短耦合长度下，于1510-1580nm波段实现0.5dB超低插入损耗（IL）和<-10dB串扰（CT），其结晶温度（270°C）显著低于传统GSST材料（400°C），为可编程光子集成电路提供了紧凑型解决方案。

　　

引言

集成光波导器件因其优异性能和小型化优势成为光通信领域的研究热点。传统基于热光或电光效应的调谐方法存在折射率对比度低（Δn<0.01）、功耗高等局限。相变材料（PCM）通过非易失性折射率突变（Sb₂S₃的Δn=0.60）为可重构光子器件提供了新思路。相较于传统Ge₂Sb₂Te₅（GST）材料，Sb₂S₃在非晶态和晶态均表现出更低的消光系数（k<0.1），且其270°C的结晶温度更易实现。

器件设计与原理

该1×2开关采用硅基混合等离子体波导（HSW）与常规硅波导（RSW）构成的非对称定向耦合器结构。通过精确调控Sb₂S₃层宽度（20nm）、耦合间隙（241nm）和SiO₂厚度（110nm），实现TE模式下有效折射率精确匹配（n=2.28408）。在非晶态时，满足相位匹配条件使光耦合至交叉端口；晶态时则因模式隔离使光直通条形端口。

性能优化

通过本征模式分析确定最优波导宽度（HSW=347.2nm，RSW=360nm），耦合长度较传统结构缩短31.6%（46μm vs 67.175μm）。TM模式通过调整HSW宽度至347.8nm实现相同功能。宽带分析显示：在1510-1580nm范围内，TE模式插入损耗<0.5dB（非晶态0.047dB，晶态0.29dB），串扰<-10dB（非晶态-26dB，晶态-27.5dB）。

创新比较

相较于GST基开关（IL=0.2dB，CT=-15dB）和GSST基器件（IL=0.1dB，CT=-19.08dB），该设计在保持性能优势的同时，耦合长度缩短至46μm，且支持双偏振操作。银层（105nm）与SiO₂介质的优化组合使等离子体损耗降低60%。

应用前景

这种兼具非易失性、宽带响应和偏振不敏感特性的开关，可应用于光场可编程门阵列（FPGA）、量子计算光路重构等领域。通过激光脉冲（非晶化：200-250mW/20-100ns；晶化：90mW/100-400ns）实现纳秒级切换，为高密度光子集成提供了新范式。