基于激光诱导相变方法的片上可调谐可擦除光波导滤波器

《Photonics》：On-Chip Tunable and Erasable Optical Waveguide Filter Using Laser-Induced Phase Transition Method

　　

传统的可调谐布拉格波导光栅滤波器依赖于热光效应或载流子效应，通常面临高能耗、低调谐效率以及难以实现独立多参数控制等局限性。为了克服这些瓶颈，本工作提出了一种基于氮化硅和相变材料Sb₂Se₃异质集成的新型光波导滤波器。该器件利用Sb₂Se₃晶态与非晶态之间显著的折射率对比，在薄膜层内构建可编程布拉格光栅。这是通过激光诱导相变方法实现的，从而实现了光场的非易失性操控。仿真结果表明，通过同时调整光栅宽度和波纹宽度，可以在19.2纳米范围内独立调谐中心波长。同样，通过协调调整光栅长度和位置偏移，可以在22.3分贝范围内独立控制消光比。除了调谐能力，所提出的器件理论上表现出优异的性能特征，包括0.1分贝的超低插入损耗和强大的旁瓣抑制。这些优势凸显了该方法为集成光子器件提供低能耗、多功能解决方案的潜力，为下一代可编程光子集成电路提供了一条有前景的途径。

**论文解读：基于激光诱导相变与Sb₂Se₃的片上可重构光波导滤波器研究**

**一、 研究背景与意义**

随着大数据和人工智能的快速发展，波分复用系统正从传统的固定架构向动态资源分配模式演进。传统的具有固定功能的光子集成电路难以满足灵活组网的需求，如动态信道调度和弹性带宽调整。相比之下，可重构光子集成电路引入了动态控制机制，能够灵活地上下路波长信道，从而显著提高波分复用系统的传输效率和组网灵活性。在可重构光子集成电路中，集成光子滤波器在信道选择和波长路由方面扮演着核心角色。在众多滤波结构中，布拉格波导光栅滤波器因其尺寸紧凑、频率选择性优异以及对波导参数变化高度敏感而备受关注，成为片上滤波解决方案的有力候选。

然而，目前大多数可重构布拉格波导光栅滤波器依赖于热光效应或载流子色散效应进行光谱调谐，这些方法通常存在效率低、损耗高和能耗大等局限性。例如，有研究利用热光效应实现了69-106纳米范围的调谐，但插入损耗高达6.35分贝。为了应对这些挑战，硒化锑作为一种低损耗相变材料展现出巨大潜力。其晶态与非晶态之间显著的折射率对比以及非易失性特性，使其特别适用于可重构光子器件。将Sb₂Se₃与成熟的硅基光子平台集成，有望实现高性能、低功耗且动态可重构的片上滤波器。尽管已有研究将相变材料用于滤波器调谐，但存在调谐范围有限、消光比与带宽耦合、无法独立调谐多个参数等问题。因此，开发一种能够实现中心波长与消光比独立、宽范围、低损耗调谐，且具备可擦除特性的新型光波导滤波器，对于推动可编程光子集成电路的发展具有重要意义。本论文发表于《Photonics》期刊，旨在解决上述问题。

**二、 关键技术方法**

本研究采用的关键技术方法主要包括异质集成结构设计与激光诱导相变加工。研究人员在300纳米厚的氮化硅晶圆上沉积了50纳米厚的Sb₂Se₃薄膜，构建了基于折射率差的无刻蚀波导结构。滤波功能的核心是通过激光诱导相变方法，在初始为晶态的Sb₂Se₃薄膜上“写入”或“擦除”布拉格光栅图案。该方法利用特定波长的激光脉冲（如写入：639纳米激光，500纳秒脉宽，8.06毫瓦功率；擦除：5毫秒脉宽，2.95毫瓦功率）局部改变Sb₂Se₃的相态（晶态与非晶态转换），从而动态定义光栅的周期、长度、宽度、波纹深度、波纹宽度及位置偏移等关键几何参数，实现了器件结构的事后可编程性。器件的性能评估通过三维时域有限差分法进行仿真分析。

**三、 研究结果分析**

**3.1 器件结构与工作原理**
提出的光波导滤波器由氮化硅衬底和顶部的Sb₂Se₃层构成。输入/输出波导为条形波导，滤波区域为在Sb₂Se₃层上定义的周期性布拉格光栅结构。光栅周期为Λ，总长度L为其整数倍。通过激光诱导相变，Sb₂Se₃的指定区域可从晶态转变为非晶态，其折射率在工作波长1550纳米处从4.012降至3.245，反之亦然，从而形成折射率调制，实现布拉格反射滤波。布拉格反射波长λ_B由波导有效折射率n_eff和光栅周期Λ决定。

**3.2 基本滤波性能**
仿真计算了参考结构（L=150微米，W=900纳米，Λ=400纳米，W1=400纳米，a=100纳米，S=0）下的传输与反射谱。结果显示，中心波长为1576.5纳米，3分贝带宽为8.6纳米。器件表现出优异的性能：超低插入损耗约为0.1分贝，消光比达到26.1分贝，反射谱的边模抑制比约为4.4分贝。传输谱中的明显凹陷证实了基于激光直写技术形成的相变布拉格光栅具有有效的滤波能力。电场演化分析表明，在阻带波长（1577纳米）下，输入TE₀模被光栅有效反射；在通带波长（1560纳米）下，光模几乎无反射地通过光栅区域。

**3.3 结构参数对滤波响应的影响及独立调谐实现**
研究人员系统研究了各结构参数（光栅长度L、宽度W、波纹深度W1、波纹宽度a、位置偏移S）对滤波响应的影响。
* **光栅长度L**：增加L（50至170微米）使消光比从5.3分贝线性增加至30.2分贝，带宽从9.7纳米略微减小至8.3纳米，中心波长基本不变。L=150和170微米时观察到的光谱波动由法布里-珀罗共振效应引起。
* **光栅宽度W**：增加W（700至1000纳米）导致中心波长从1560.3纳米红移至1582.2纳米，消光比从27.4分贝降至11.2分贝，带宽从13.1纳米收窄至8.0纳米。W对中心波长和消光比均有强影响。
* **波纹深度W1**：增加W1（200至500纳米）导致中心波长先红移后轻微蓝移，消光比从16.5分贝增至27.1分贝，带宽从6.5纳米扩至8.7纳米，变化呈非线性。
* **波纹宽度a**：增加a（50至100纳米）导致中心波长从1573.1纳米红移至1576.5纳米，消光比从3.2分贝大幅增至26.6分贝，带宽从0.9纳米扩至8.8纳米。
* **位置偏移S**：增加S（0至150纳米）导致消光比从15.3分贝显著降至3.4分贝，带宽从9.4纳米缩至2.2纳米，中心波长几乎不变。这表明S可用于独立调谐消光比。

基于以上分析，研究人员提出了实现独立调谐的策略：
* **中心波长独立调谐**：通过同步调整光栅宽度W和波纹宽度a，可以抵消二者对阻带带宽和消光比的相反影响，从而实现仅中心波长的变化。仿真显示，当W从760纳米增至1000纳米，a从74纳米同步增至100纳米时，中心波长从1563.0纳米红移至1582.2纳米（调谐范围19.2纳米），而消光比和带宽基本保持不变。
* **消光比独立调谐**：通过协调调整光栅长度L和位置偏移S，可以利用二者对带宽变化的抵消作用以及对消光比的叠加作用，实现消光比的独立调谐。仿真显示，当L从70微米增至160微米，S从80纳米减至0时，消光比从约6.6分贝增至28.9分贝（调谐范围22.3分贝），而中心波长和带宽基本不变。

**3.4 光栅切趾优化**
为了提升反射谱的边模抑制比，研究人员引入了光栅切趾技术，即沿光栅长度按一定函数关系改变位置偏移S。仿真结果表明，应用切趾后（控制系数b=10），传输谱的旁瓣几乎被完全消除，反射谱的边模抑制比从4.4分贝显著提高至15.5分贝，有效增强了滤波器的光谱质量。

**3.5 器件制备与结构可变性验证**
研究建立了激光诱导相变加工系统，并演示了在单个器件上改变关键结构参数（如光栅长度L和波纹深度W1）的能力。通过反复的写入和擦除过程，可以在同一器件上可逆地形成具有不同配置的布拉格光栅，这证明了基于该方法的结构参数可变性，是传统刻蚀波导器件无法实现的。器件制备工艺与互补金属氧化物半导体产线的后端工艺兼容。

**四、 讨论与结论**

**讨论部分总结**：研究人员将所提出的滤波器与先前报道的基于热光效应、载流子色散效应或其他相变材料（如Ge₂Sb₂Te₅和Ge₂Sb₂Se₄Te₁）的可调谐光波导滤波器进行了比较。对比表明，本滤波器在波长调谐范围（19.2纳米）、消光比调谐范围（22.3分贝）、插入损耗（0.1分贝）以及参数独立调谐能力方面具有明显优势。其独特的可擦除特性是传统刻蚀波导结构器件所不具备的。传统调谐方法需要持续供电以维持调谐状态，能耗较高，且通常需要额外制作金属电极，增加了工艺复杂性。而本方法利用激光诱导相变，无需电极，但需要激光加工系统。目前报道的结果基于数值仿真，实验表征正在进行中。

**研究结论翻译**：总之，研究人员提出了一种基于低损耗相变材料Sb₂Se₃的可调谐光波导滤波器。通过在氮化硅晶圆上沉积Sb₂Se₃层，基于Sb₂Se₃晶态与非晶态之间明显的折射率差异形成滤波结构图案。该结构图案可通过激光诱导相变方法在Sb₂Se₃薄膜上制备。仿真结果表明，该滤波器可以实现中心波长在19.2纳米范围内的独立调谐和消光比22.3分贝的独立调谐，并具有0.1分贝的超低插入损耗。此外，进一步引入了切趾方案以改善滤波性能，将反射谱中的边模抑制比从4.4分贝提高至15.5分贝。同时，所提出的滤波器结构在制备后仍可擦除，这是当前刻蚀光波导器件无法实现的功能。基于非易失性、可擦除性和灵活的独立可调性等特征，研究人员希望该方案和器件能在可重构和可编程光子集成电路中找到潜在应用，以解决动态波长选择和滤波问题。