基于GST相变材料的新型光波导器件的理论研究

基于GST相变材料的新型光波导器件的理论研究BasedontheGSTphaseChangeMaterialResearchonNewTypeofOpticalWaveguidedevices(ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China)基金项目：国家自然科学基金（61874072）、河南省教育厅重点科研项目（18A510022）摘要：GST材料在不同的相变状态具有不同的光学特性，微纳米光纤具有非常小的模斑。本文研究了微纳光纤和GST光栅组成的新型光波导期间的特性，理论仿真可以得出：GST在非晶态时反射滤波谱的消光比比晶态时的大的多，反射谱的中心波长在非晶态时比晶态时小一些；随着光栅周期的增加，反射谱的中心波长发生红移；随着占空比的增加，反射谱的消光比会逐渐变小，对反射谱的中心波长漂移影响不大；随着微纳光纤半径的增加，反射谱的中心波长同样发生红移，消光比逐渐增加；随着耦合长度的增加，反射谱的消光比在随着耦合长度增加的过程中，先逐渐增大然后达到最大值。关键词：相变材料；微纳光纤；光栅；光波导Abstract:TheopticalpropertiesofGSTindifferentstatesareverysmall.Inthispaper,thecharacteristicsofthenewopticalwaveguidecomposedofmicronanofiberandGSTgratingarestudied.ThetheoreticalsimulationresultsshowthattheextinctionratioofreflectionfilteringspectrumofGSTinamorphousstateismuchlargerthanthatincrystallinestate,andthecentralwavelengthofreflectionspectrumissmallerinamorphousstatethanthatincrystallinestate;withtheincreaseofgratingperiod,thecentralwavelengthofreflectionspectrumshiftsred;withtheincreaseofdutycycle,thereflectionspectrumisreflectedWiththeincreaseoftheradiusofthemicronanofiber,thecentralwavelengthofthereflectionspectrumalsoredshifts,andtheextinctionratioincreasesgradually;withtheincreaseofthecouplinglength,theextinctionratioofthereflectionspectrumfirstincreasesandthenreachesthemaximumvalue.Keywords:Phasechangematerial;micro/nanofiber;opticalgrating;opticalwaveguide近年来，锗锑碲（GST）材料的结构相变以及相变后所产生的一系列性质的改变一直是研究的热点问题[1-6]。GST相变材料是由GeTe和Sb2Te3通过不同配比得到，结合了GeTe具有较快非晶化速度和Sb2Te3具有较快晶化速度的优点。不同的配比具有不同的性质，需要研究优化配置获得最佳光学调控特性。GST晶体具有亚稳相立方结构和稳定相六方结构，但其非晶结构很难确定，因为在非晶时原子排列是无规则的，文献报道中已用各种实验方法和理论计算得到了很多不同的结果，但到目前为止仍没有一个统一的结论，需要进一步探索。此外，对传统GST薄膜进行掺杂也会对其结构、热学、电学、光学等材料性能带来重要影响，需要研究探讨不同掺杂元素在GST薄膜中存在的形式及具体作用，分析掺杂GST薄膜的结晶特性及相变特征，为研发适用于光路调控用的相变材料提供指导方向。虽然GST材料已应用于微电子相变存储器中，但是它的光学特性特别是在对光子调控方面的研究还刚刚起步，需要深入研究。相比于其他相变材料，GST系列合金是最为成熟的相变材料，具有晶化速率快、非晶态与晶态电阻和折射率变化大、非晶态和晶态之间具有较好的可逆性。Ge2Sb2Te5材料的晶化温度约为168oC，结晶时间最短可以达到50ns。在168oC附近，GST薄膜发生从非晶态到面心立方（FCC）晶态结构的转变，薄膜方块电阻缓慢下降；而在300oC附近，GST薄膜发生从FCC结构到六方密堆（HEX）结构转变，电阻进一步下降；最后当温度高于350oC后，电阻基本保持不变。由于非晶态GST薄膜表现为半导体特性，FCC晶态薄膜表现为半金属特性，而六方晶态薄膜表现为金属特性，三者的电阻率发生了巨大改变，也导致了光学特性，即材料折射率实部和虚部的巨大变化。原始沉积态的GST薄膜是非晶态的,对材料进行热退火,薄膜开始结晶的过程,随着退火温度的升高和退火时间的延长,薄膜内晶核不断增大,结晶程度不断增加。当退火温度相对较低时,GST薄膜由非晶态转化为亚稳态的晶态结构。此结构的原子排列非常接近岩盐(NaCl)结构。当退火温度进一步上升或者退火时间进一步延长时,GST薄膜由NaCl型的晶态结构转变为六方HEX晶态结构。在GST材料晶态结构中,Ge原子与周围的六个Te原子之间成共价键,形成八面体结构，而非晶态结构中Ge原子与周围的四个Te原子构成四面体结构。Ge原子在上述两个位置之间的跳跃(雨伞型跳跃)造成了材料由非晶态向晶态的转变。相变过程中,相变材料的很多比较强的共价键并不需要打破,由Te原子所架构的晶格结构也没有发生大的变化,Sb原子的邻近结构也都几乎没有变化,只需将Ge-Te键打断即可完成跳跃,完成快速相变过程。GST材料并没有真正被融化至液态,而只是打断了部分共价键即完成从晶态到非晶态的转变，如图1所示。图1GST晶体结构及相变过程：（a）GST亚稳态FCC结构，（b）GST晶态到非晶态转变近年来2m波段的光通信成为了研究热点之一，它可以有效增加光通信网络的信息传输容量。基于GST相变材料的研究处于理论阶段，文献中报导的应用包含定向耦合器[7-9]和光开关[10-15]等。由于GST材料非晶态和晶态具有不同特定的光学特性，因而实现的光开关两种状态具有自保持能力，有利于器件的稳定工作。GST材料折射率与波长相关，通过选择适当的工作波长，可以增加器件如光开关消光比，而同时减小插入损耗。GST折射率在1550nm波长附近为4.6+i0.12(非晶态)和7.45+i1.49(晶态)，其中非晶态的损耗比晶态损耗大幅度减小，因此，在基于微纳光纤、GST和金膜组成的结构中，通过外加电压的电流热效应来改变GST材料的相变使得GST材料的有效折射率发生改变，从而来研究GST材料做成的光栅对该结构的性能的影响。首先我们采用软件仿真进行理论上的研究。1器件结构的理论研究微纳光纤[16]、GST和金膜[17]的三明治结构如图2所示：图2GST光栅结构示意图.(a)俯视图，(b)侧视图，(c)透视图从2图中可以看出，决定光栅的参数主要是：光栅的周期=(a+d)/cos()、占空比f=d/p和GST材料的厚度h。为了防止微纳光纤的倏逝场穿透金膜进入硅衬底中，根据金材料特性，我们采用50nm厚度的金膜即可阻止微纳光纤和硅衬底的相互作用。和布拉格金属光栅类似，GST光栅也具有金属光栅类似的布拉格反射波长和反射率，根据布拉格光栅的特性可以知道布拉格波长[8]为：(1)公式中neff=(dneff1+aneff2)/为平均有效折射率，其中neff1和neff2分别为微纳光纤附着在金属上和没有附着在金属上的模式有效折射率。根据布拉格光栅的特性，布拉格光栅的反射带宽[9]为：(2)其中κac为耦合系数，如果(κacLc)2<<π2，式子(2)可以简化为：(3)布拉格光栅的反射率由下面公式[10]决定：(4)本文的仿真程序中采用的GST合金材料的比例是2:2:5，这种GST材料在晶态和非晶态的折射率的实部和虚部如图3所示：图3GST材料不同状态时的折射率：(a)实部和(b)虚部2GST光栅的结构参数对器件特性的影响由于GST材料也是做成光栅的结构，因此对于混合等离子波导，中间层的厚度直接影响光模场的大小和能量的高低，我们首先分析不同厚度的GST薄膜在两种状态时对滤波特性的影响：图4不同厚度GST光栅的反射谱：(a)非晶态和(b)晶态如图4可以看出：对于图(a)，在GST的非晶体状态，当GST的厚度从20nm到60nm变化的过程中，随着厚度的增加，反射谱的消光比在逐渐减小，说明在GST厚度增加的过程中，微纳光纤、GST和金属薄膜的相互作用在逐渐减弱，整个结构的等离子效应在逐渐减弱；在GST的晶体状态，GST呈现的是金属材料特性，当GST薄膜比较薄时，微纳光纤的光场除了和GST的光栅组成混合等离子波导，还和衬底的金膜组成混合等离子波导，整个波导的器件损耗非常高，因此在GST薄膜厚度很薄时，反射谱的消光比非常小，当薄膜厚度增加到一定程度时，微纳光纤和金膜的等离子效应变得非常弱，这个时候主要和GST光栅之间组成混合等离子波导，并且GST比金的损耗要小的多，因此，当GST材料晶态的厚度增加时，反射谱的消光比会增加。在本章中，我们通过给GST材料增加电场，通过电流的热效应使得GST材料经过一定时间后达到材料的相变温度168℃，因此GST材料的厚度无论在哪个状态都需要一个厚度，综合考虑我们选择GST材料的厚度为20nm。和前面的金属光栅相比较，在GST的非晶态，我们可以用很薄的GST材料就可以实现光栅的滤波特性，并且可以制作得到矩形结构的光栅，当我们通过电流热效应改变GST材料的状态时，我们可以改变反射谱的中心波长移动。通过上面的分析，我们选择GST材料的厚度为20nm，分别改变GST光栅的周期和占空比来研究GST光栅反射谱的滤波特性：图5不同周期GST光栅的反射谱：(a)非晶态和(b)晶态从图5可以看出，无论是晶态还是非晶态的GST光栅，当光栅的周期从0.5m到0.65m逐渐增加的过程中，反射谱的中心波长都发生红移，所不同的是非晶态反射谱的消光比比晶态的大的多。仿真的参数分别是：光纤半径0.7m和光栅的占空比0.4。通过仿真我们确定GST光栅的周期做成0.55和0.6m。占空比的改变对反射谱的影响如图6所示。软件仿真所用的参数时：微纳光纤半径0.7m和光栅周期0.55m。从图中可以看出，光栅占空比的改变对反射谱的中心波长漂移影响不大，而随着占空比从0.4到0.6逐渐增加的过程中，反射谱的消光比在逐渐降低，这是由于当占空比增加时，微纳光纤和GST作用长度增加，虽然GST处于非晶态，但是它仍然具有复介电常数，因此由于作用距离的增加，会带来更多的传输损耗，在反射端得到的光能量会降低，引起消光比的降低。图6不同占空比GST光栅的反射谱：(a)非晶态和(b)晶态根据前面的仿真分析结果可以得出GST光栅的结构参数：GST材料的厚度为20nm，GST光栅的周期选择550nm或者600nm，占空比选择0.4到0.6，实际制作得到的器件尺寸由CMOS工艺来决定。下面我们来分析GST光栅的特性：微纳光纤半径的变化以及耦合长度的变化对反射谱的影响。在仿真程序中，我们选择的GST光栅的参数：厚度20nm、周期550nm和占空比0.4。3微纳光纤的结构参数对器件特性的影响微纳光纤半径变化时对反射谱的影响如图7所示：图7不同半径微纳光纤的反射谱：(a)非晶态和(b)晶态从图7可以看出：当微纳光纤半径从0.4m增加到0.7m的过程中，随着微纳光纤半径的增加，反射谱的中心波长发生红移，同时消光比会逐渐增大，这是由于在微纳光纤半径增加的过程中，微纳光纤的倏逝场会逐渐变弱，由于GST薄膜非常的波，在微纳光纤半径增加的过程中，模场仍然集中在GST材料中，由于微纳光纤的倏逝场变弱，因此与金膜的作用也会减弱，传输损耗会相应的减小，因此，反射得到的功率会有所增加，消光比会相应增加。耦合长度变化时对反射谱的影响如图8所示：图8不同耦合长度的反射谱：(a)非晶态和(b)晶态从图8可以看出，随着耦合长度的增加，GST的光栅的反射强度在逐渐增强，当耦合长度达到一定长度时，反射强度达到最大，因此，反射谱的消光比在随着耦合长度增加的过程中，先逐渐增大然后达到最大值。GST材料两种状态下的透射谱和反射谱比较如图9所示：从图中可以看出，当GST材料处于非晶态时，表现的是介质特性，其透射谱和反射谱的波峰和波谷相互对应；当GST材料处于晶态时，表现的是金属特性，由于存在等离子模式的损耗，光波在透射的过程中逐渐损耗，而在很短耦合距离内就会达到反射最强值，因此其反射谱有明显的峰值，而透射谱的能量几乎完全衰减掉。图9GST光栅的透射谱和反射谱：(a)非晶态和(b)晶态4总结本章首先介绍了GST相变材料的特性及相关应用。然后通过软件分析得出GST光栅的结构参数，并且分析了光栅的相关特性在GST两种相变状态下的区别。通过软件分析可以得出：GST在非晶态时反射滤波谱的消光比比晶态时的大的多，反射谱的中心波长在非晶态时比晶态时小一些；随着光栅周期的增加，反射谱的中心波长发生红移；随着占空比的增加，反射谱的消光比会逐渐变小，对反射谱的中心波长漂移影响不大；随着微纳光纤半径的增加，反射谱的中心波长同样发生红移，消光比逐渐增加；随着耦合长度的增加，反射谱的消光比在随着耦合长度增加的过程中，先逐渐增大然后达到最大值。最后介绍了GST光栅的制作工艺，为下一步的器件制作和实验奠定了基础。参考文献：[1]M.Z.Alam,J.S.Aitchison,andM.Mojahedi.Amarriageofconvenience:Hybridizationofsurfaceplasmonanddielectricwaveguidemodes[J].Laser&PhotonicsReviews.2014,8(3):394-408.[2]M.Z.Alam,J.Meier,J.S.Aitchisonetal.Supermodepropagationinlowindexmedium.In:PhotonicApplicationsSystemsTechnologiesConference.2007,JThD112.[3]R.F.Oulton,V.J.Sorger,D.Genovetal.Ahybridplasmonicwaveguideforsubwavelengthconfinementandlong-rangepropagation[J].NaturePhotonics.2008,2(8):496-500.[4]D.Dai,andS.He.Asilicon-basedhybridplasmonicwaveguidewithametalcapforanano-scalelightconfinement[J].Opticsexpress.2009,17(19):16646-16653.[5]M.Wu,Z.Han,andV.Van.Conductor-gap-siliconplasmonicwaveguidesandpassivecomponentsatsubwavelengthscale[J].Opticsexpress.2010,18(11):11728-11736.[6]Q.Gan,andF.J.Bartoli.Bidirectionalsurfacewavesplitteratvisiblefrequencies[J].Opticsletters.2010,35(24):4181-4183.[7]R.Yu,S.Cheung,Y.Lietal.Ascalablesiliconphotonicchip-scaleopticalswitchforhighperformancecomputingsystems[J].OptExpress.2013,21(26):32655-67.[8]K.O.Hill,andG.Meltz.FiberBragggratingtechnologyfundamentalsandoverview[J].Journaloflightwavetechnology.1997,15(8):1263-1276.[9]K.Thyagarajan,andA.Ghatak.FiberBraggGratings[J].FiberOpticEssentials.2009,168-185.[10]A.Othonos.Fiberbragggratings[J].Reviewofscientificinstruments.1997,68(12):4309-4341.[11]H.Liang,R.Soref,J.Muetal.Electro-opticalphase-change2x2switchingusingthree-andfour-waveguidedirectionalcouplers[J].ApplOpt.2015,54(19):5897-902.[12]R.Soref.Mid-infrared2×2electro-opticalswitchingbysiliconandgermaniumthree-waveguideandfour-waveguidedirectionalcouplersusingfree-carri