近日，南方科技大学沈美教授团队与深圳大学雷蕾教授团队合作，成功设计并实现了一种全新的低损耗GST超晶格结构（GST-SLn，n表示超晶格层数）。GST-SLn采用了3 nm厚的ZnS-SiO₂（ZSSO）层和3 nm厚的GST层交替堆叠而成。这一设计通过限制GST层的厚度，以优化材料整体的消光系数并减少损耗，使其晶态下传输损耗从2.69 dB/μm降至0.539 dB/μm，且在非晶态下保持极低的损耗。同时，该设计也保持了优异的相位调制能力，使得GST-SLn在多级调制方面具备了更优异的表现。与传统纯GST材料相比，这种超晶格结构展现出更加优越的光学性能，使其成为光学功能器件和计算PIC中的理想候选材料。研究团队在硅微环谐振器（MRR）中对GST-SLn的调制性能进行了验证。结果显示，GST-SL6 成功实现了15个可区分的消光比状态，展现了其稳定的多级调制性能。此外，本研究还首次验证了该结构在可重构光学微分运算中的应用潜力，单环实现了0.7阶到1.2的微分调控。这一发现进一步展示了GST-SLn在光学计算领域，尤其是大规模人工智能光子计算网络中的广阔前景，为光子计算技术的发展提供了新的思路。
1、GST-SLn的损耗改善原理及模拟
首先，本文通过透射电子显微镜（TEM）和能量色散X射线光谱（EDX）证明GST-SL3中GST和ZSSO层在超晶格结构中具有清晰的边界，如图1所示。接着，我们对GST-SL3及GST进行椭偏仪表征并采用有限差分时域法（FDTD）模拟，如图2所示。结果表明超晶格结构利用ZSSO层将GST薄膜的厚度限制在超薄尺度，有效减小了光学损耗。热模拟结果表明，在相同激光能量下，GST-SL3相比纯GST具有更高的温升，表明其优越的热吸收效率，如图3所示。此外，通过调整激光能量可以精确调节GST-SL3的非晶区域深度，实现多态相变调制。
图1 (a) GST-SL3 TEM表征。(b)-(f) 超晶格中GST和ZSSO层的EDX能谱图。
图2 GST和GST-SL3的光学常数及TE模式模拟分布。
图3 激光脉冲下GST-SL3和GST的温度分布及超晶格多级调制示意图。
2、 GST-SLn的损耗测试分析
通过对铺盖GST-SL3和GST-SL6的硅谐振环（GST-SLn-MRR）在不同GST-SLn覆盖长度下的传输光谱分析，我们得到了GST-SL3和GST-SL6在晶态和非晶态下的损耗及相位偏移，如图4所示。总体来说，GST-SLn相比等效厚度的纯GST拥有相同的相偏移性能，但光衰减系数仅为1/4左右（如图5所示），说明超晶格结构大幅降低了光学损耗的同时保持良好的相位调控能力。
图4 GST-SLn-MRR的传输光谱及GST-SLn的损耗和偏移（n = 3, 6）。
图5 (a) π偏移量对比和 (b) 晶态α对比。
3、基于原位激光热处理系统的多态调控
本文进一步探讨了GST-SLn可控的非晶化和晶化能力，并研究了其在多级调制中的潜力。图6(a)展示了GST-SL3-MRR的擦除（1 ns，单脉冲）和写入过程（200 ns，多脉冲）。随着单脉冲激光能量增加，GST-SL3展现出9个不同的消光比状态，而GST-SL6展现出更广泛的调制范围，共有15个不同的状态。与此同时我们还验证了GST-SL3的循环稳定性，在经过3600次擦除/写入操作后，未观察到显著的退化，证明了GST-SL3的激光诱导相变具有很好的鲁棒性和稳定性。
图6
GST超晶格的多级调控及循环测试
4、基于 GST-SL6-MRR的可重构全光微分
为了验证GST-SLn的可调控能力，本实验通过调控全通型微环谐振器 (MRR) 上的GST-SLn晶化状态，成功实现了变阶数时域微分。图8显示了输入等效速率为17.5 Gb/s RZ 信号的时域波形和变阶数微分结果。实验结果表明，不同阶数的微分结果均与理想波形非常接近，其均方误差分别可以达到 3.58%（1.2 阶）、3.64%（1 阶）和 3.70%（0.7 阶）。
图7 全光可重构时域微分实验装置
本文的GST-SLn的低损耗设计显著提升了其在光学调制中的范围和精度，尤其在多态调控需求高的应用场景中表现优异，使其非常适用于光学图像处理、光开关、光模拟计算和光学神经网络等领域。同时，这种结构设计策略可应用于其他有应用前景的OPCMs，为其在未来大规模光子计算等应用提供更加灵活高效的解决方案。尽管GST-SLn在降低损耗和提升调制能力方面表现优越，其在长期稳定性、调控精度和能效上的优化仍是实际应用中的关键。未来的研究可以从算法优化、材料改性和器件设计等多方面着手，进一步增强GST-SLn的器件性能，以适应复杂光子系统的需求，助力PIC向更高效快速、更低能耗的方向迈进。
本研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市重大科技基础设施项目的资助。
Authors: Yida Dong,† Ziqi Wu,† Wentao Zhong,† Zhuoxuan Zhu, Jinxuan Liang, Yida Li, X.-D. Xiang,* Lei Lei,* and Mei Shen*
Title: Optimized Low-Loss Ge2Sb2Te5Superlattice: Design, Fabrication and Application
Published in:Advanced
Optical Materials, doi: https://doi.org/10.1002/adom.202402092
