基于低损耗相变材料Sb2S3的可重构非易失性1×2集成超表面光开关研究

本研究针对传统光学开关体积大、损耗高、响应慢等问题，提出了一种基于低损耗相变材料Sb2S3的可编程编码超表面光开关。通过多模干涉（MMI）结构与超表面设计，实现了1×2光束转向功能，插入损耗低至-2.1 dB，串扰-11 dB，且对制造误差具有强鲁棒性，为高密度集成光子电路提供了新方案。

　　

在光通信网络爆发式增长的今天，传统光学开关的笨重体积和高能耗已成为制约发展的瓶颈。现有器件不仅难以集成到芯片级光路中，其缓慢的响应速度更无法满足高速数据传输需求。更棘手的是，这些开关往往需要持续供电维持状态，造成巨大能源浪费。面对这些挑战，上海理工大学中英国际学院与深圳大学的研究团队另辟蹊径，将目光投向了具有"光学魔术师"之称的超表面技术。

超表面作为人工设计的亚波长纳米结构，能精准调控光的相位、偏振等特性，但传统静态设计无法实现功能重构。为此，研究人员创新性地将低损耗相变材料Sb₂S₃（简称SbS）与编码超表面结合，在《iScience》发表了突破性成果。这项研究通过多模干涉结构设计，仅需改变外围两个SbS单元的晶态（0/1编码），就能实现光束在两个输出端口间的可控偏转，犹如在芯片上搭建了一座可远程操控的"光学立交桥"。

关键技术包括：1）基于自成像原理设计MMI耦合器；2）采用FDTD方法优化SbS单元尺寸（2.8μm×200nm）；3）通过电热调控实现SbS非易失性相变；4）系统分析制造误差对性能的影响。

结果部分
多模干涉设计：通过公式L=3πL_π/N计算最优MMI长度（6.7μm），在C波段（1530-1565nm）实现98.5%的理论传输效率。

器件表征：当外侧SbS单元设为晶态（n=3.308）时，光束导向上方端口（插入损耗-2.1dB）；设为非晶态（n=2.712）时转向下方端口，串扰始终低于-11dB。消光比达8.75dB，优于同类电光开关。

制造容差分析：在±20nm宽度误差和±30nm长度误差下，性能波动小于0.8dB，展现强鲁棒性。随机缺陷模拟显示，即使30%材料填充不完全，器件仍保持稳定工作。

这项研究开创性地将PCM的非易失性与超表面的灵活调控能力相结合，其2.1dB的低损耗指标较传统GST基器件提升近50%。尤为重要的是，通过像素化编码设计，器件无需重新设计核心结构即可扩展至1×4端口，为下一代光互连网络提供了可规模化的解决方案。正如作者指出，该设计虽在插入损耗方面仍有改进空间，但其"即插即用"的特性和对制造误差的宽容度，已展现出显著的产业化潜力。