一种基于狭缝相变复合波导的全光相变多级存储器

本发明涉及微电子领域，尤其是涉及一种基于狭缝相变复合波导的全光相变多级存储器。

背景技术：

1、光子集成电路(pics)是片上经典光学和量子光学技术的基石。由于其高折射率、小占地面积和互补金属氧化物半导体(cmos)兼容性，硅光子学被认为是最有前途的节能高密度pics之一，在许多应用领域如光互连、光开关、光存储器、传感器和信号处理得到了广泛的研究。

2、当前集成光开关和光存储器在光网络通信和信号处理芯片中发挥着重要作用。然而，大多数硅光子开关器件所需的状态变化是通过弱的、易失性热光(to)效应或载流子诱导的电光(eo)效应引起的，由于这两种效应都需要一个恒定的电子驱动电路来维持开关状态，且对折射率的调制力不强，通常在0.001-0.01量级，因此显示出低消光比、高能耗和巨大的占地面积。此外，开关对温度变化非常敏感，这导致了潜在的稳定性问题。因此，探索一种具有高折射率调制和非易失性的新型材料对实现低能耗、可重构pic具有重要意义。

3、近年来，硫系相变材料（pcms）因其具有非易失性、高光学调制和超紧凑的占地面积等特性，被认为是可重构硅集成电路应用（如光开关、光存储器和光学神经计算）的一个有前景候选材料。具有代表性的pcm，ge2sb2te5(gst)，被广泛应用于硅集成电路，由于其高光学对比度、快速的开关速度、优异的热稳定性和高可扩展性，在实现超紧凑、低能耗和可重构的有源器件方面显示出巨大的潜力。gst的复折射率在晶态和非晶态中均表现出巨大的差异，实部的变化(δn=2.74)可以在小的器件占地面积中产生强相位或振幅调制，虚部变化(δk=1.06)可以实现高消光比。由于这两种状态都是稳定的和自保持的，不需要持续的功耗来维持状态，因此基于gst的器件能实现零静态功率。

4、集成微环谐振器具有结构紧凑、品质因子高、灵敏度高、易于集成等优势，已被广泛应用于传感、滤波、光调制和光开关。缝隙波导在光学传感、光子突触、非线性增强和色散工程的应用中受到了广泛关注。其独特优势在于狭缝的功率限制因子大，能增强光与物质的相互作用。利用这一特性，光子器件的性能得到很好的改善，例如内存计算光子突触中更大的权值和更高的光调制效率、传感器中更高的灵敏度、光开关中更低的串扰和损耗。目前，国内外还没有公开将微环波导和gst狭缝波导相结合的相关研究报道。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种低插入损耗、高消光比、非易失性的基于狭缝相变复合波导的全光相变多级存储器。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于狭缝相变复合波导的全光相变多级存储器，包括sio2基底，所述的sio2基底上设置有上下两条矩形直波导，两条所述的矩形直波导之间设置有微环波导，所述的微环波导与所述的矩形直波导之间设有耦合间距，所述的微环波导上设置有可在波导倏逝场耦合作用下发生非晶态至晶态的可逆相变的第一相变狭缝结构，所述的第一相变狭缝结构材料为ge2sb2te5。相变狭缝结构为相变层ge2sb2te5(gst)，具有至少两个稳定的状态，即非晶态和晶态，且这两个状态对探测光具有明显不同的吸收系数。

3、进一步，上行所述的矩形直波导的输出端与下行所述的矩形直波导的输入端之间连接有u型反馈环波导，所述的u型反馈环波导上设置有可在波导倏逝场耦合作用下发生非晶态至晶态的可逆相变的第二相变狭缝结构，所述的第二相变狭缝结构与所述的第一相变狭缝结构尺寸相同且材料相同。

4、进一步，所述的第一相变狭缝结构垂直嵌入到所述的微环波导中，所述的第二相变狭缝结构垂直嵌入到所述的反馈环波导中。

5、进一步，所述的反馈环波导为si波导，所述的反馈环波导结构的环半径为所述的微环波导结构的半径、耦合间距和微环波导宽度三者之和，所述的反馈环波导的环长为所述的微环波导的半径的2π倍长，所述的反馈环波导的起始位置、终止位置正好与所述微环波导的中心对齐在一条垂线上。是从微环波导中心处的上端直波导开始，到微环波导中心处的下端直波导处结束。

6、进一步，所述的矩形直波导为si波导，两条所述的矩形直波导的宽度均为360-460nm，厚度均为180-300nm。

7、进一步，所述的微环波导为si波导，所述的微环波导结构的半径为3-20μm，宽度为360-460nm，厚度为180-300nm，所述的微环波导与所述的矩形直波导的宽度和厚度均保持一致。

8、进一步，所述的反馈环波导的宽度为360-460nm，厚度为180-300nm，且与所述的微环波导的宽度和厚度保持一致。

9、进一步，所述的第一相变狭缝结构和所述的第二相变狭缝结构的宽度均为40-120nm，厚度均为180-300nm，环长度均为0.2-1.4μm。

10、进一步，所述的耦合间距为80-200nm。

11、进一步，所述的sio2基底宽为4μm，厚度为2μm。

12、与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明一种基于狭缝相变复合波导反馈环的多级存储器及其制备方法，该多级存储器由一个狭缝相变复合微环光开关和一个u型狭缝相变复合反馈环组成。对于光开关，利用狭缝结构能增强光和物质相互作用的特点，将相变材料以狭缝的形式嵌入在微环谐振器中，对比于以往的光开关器件，能实现非易失性的、更低的低插入损耗(0.1db/0.7db)和更高的消光比(22.71db/28.32db)；在微环光开关的基础增加一个u型反馈环，且在反馈环上嵌入相同尺寸的相变狭缝结构，当设置反馈环的长度为微环半径的2π倍长时，能使自由光谱范围(fsr)扩大一倍，从21.6nm扩大到43.2nm；当交替改变微环和反馈环上的相变材料状态时，可实现读数对比度高达90%的2位存储器，是传统器件的4.3倍。另外在相变材料相变过程中，通过写(write)和擦除(erase)光脉冲控制非晶化和结晶化过程中的温度，实现相变材料的完全非晶态和完全结晶态，避免了因部分结晶化所带来的功率损耗问题，且相变速度很快，相变功率很小，在振幅为30mw、脉宽为35ns的写脉冲驱动下，实现相变材料的非晶化，在振幅为8mw、脉宽为150ns的擦除脉冲驱动下，实现相变材料的晶化。该结果为开发具有超紧凑尺寸、低插入损耗、高消光比、快速开关速度和低功耗的非易失性可重构的多功能光子器件提供了选择方案。

技术特征：

1.一种基于狭缝相变复合波导的全光相变多级存储器，包括sio2基底，其特征在于：所述的sio2基底上设置有上下两条矩形直波导，两条所述的矩形直波导之间设置有微环波导，所述的微环波导与所述的矩形直波导之间设有耦合间距，所述的微环波导上设置有可在波导倏逝场耦合作用下发生非晶态至晶态的可逆相变的第一相变狭缝结构，所述的第一相变狭缝结构材料为ge2sb2te5。

2.根据权利要求1所述的一种基于狭缝相变复合波导的全光相变多级存储器，其特征在于：上行所述的矩形直波导的输出端与下行所述的矩形直波导的输入端之间连接有u型反馈环波导，所述的u型反馈环波导上设置有可在波导倏逝场耦合作用下发生非晶态至晶态的可逆相变的第二相变狭缝结构，所述的第二相变狭缝结构与所述的第一相变狭缝结构尺寸相同且材料相同。

3.根据权利要求2所述的一种基于狭缝相变复合波导的全光相变多级存储器，其特征在于：所述的第一相变狭缝结构垂直嵌入到所述的微环波导中，所述的第二相变狭缝结构垂直嵌入到所述的反馈环波导中。

4.根据权利要求2所述的一种基于狭缝相变复合波导的全光相变多级存储器，其特征在于：所述的反馈环波导为si波导，所述的反馈环波导结构的环半径为所述的微环波导结构的半径、耦合间距和微环波导宽度三者之和，所述的反馈环波导的环长为所述的微环波导的半径的2π倍长，所述的反馈环波导的起始位置、终止位置正好与所述微环波导的中心对齐在一条垂线上。

5.根据权利要求1所述的一种基于狭缝相变复合波导的全光相变多级存储器，其特征在于：所述的矩形直波导为si波导，两条所述的矩形直波导的宽度均为360-460nm，厚度均为180-300nm。

6.根据权利要求5所述的一种基于狭缝相变复合波导的全光相变多级存储器，其特征在于：所述的微环波导为si波导，所述的微环波导结构的半径为3-20μm，宽度为360-460nm，厚度为180-300nm，所述的微环波导与所述的矩形直波导的宽度和厚度均保持一致。

7.根据权利要求6所述的一种基于狭缝相变复合波导的全光相变多级存储器，其特征在于：所述的反馈环波导的宽度为360-460nm，厚度为180-300nm，且与所述的微环波导的宽度和厚度保持一致。

8.根据权利要求7所述的一种基于狭缝相变复合波导的全光相变多级存储器，其特征在于：所述的第一相变狭缝结构和所述的第二相变狭缝结构的宽度均为40-120nm，厚度均为180-300nm，环长度均为0.2-1.4μm。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种基于狭缝相变复合波导的全光相变多级存储器，其特征在于：所述的耦合间距为80-200nm。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的一种基于狭缝相变复合波导的全光相变多级存储器，其特征在于：所述的sio2基底宽为4μm，厚度为2μm。

技术总结
本发明公开了一种基于狭缝相变复合波导的全光相变多级存储器，包括SiO<subgt;2</subgt;基底，特点是SiO<subgt;2</subgt;基底上设置有上下两条矩形直波导，两条矩形直波导之间设置有微环波导，微环波导与矩形直波导之间设有耦合间距，微环波导上设置有可在波导倏逝场耦合作用下发生非晶态至晶态的可逆相变的第一相变狭缝结构，第一相变狭缝结构材料为Ge<subgt;2</subgt;Sb<subgt;2</subgt;Te<subgt;5</subgt;，上行矩形直波导的输出端与下行矩形直波导的输入端之间连接有U型反馈环波导，U型反馈环波导上设置有可在波导倏逝场耦合作用下发生非晶态至晶态的可逆相变的第二相变狭缝结构，第二相变狭缝结构与第一相变狭缝结构尺寸相同且材料相同，优点是低插入损耗、高消光比、非易失性。

技术研发人员：吕业刚,蔡林莹,徐培鹏
受保护的技术使用者：宁波大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13