研究目的
为构建具有石墨烯加热器的高速、高能效可编程光子集成电路，对非易失性相变集成纳米光子结构的电学开关进行建模。
研究成果
所提出的采用石墨烯加热器的PINC器件展现出高开关速度与能效，可实现强光学调制。该综合模型有助于未来基于相变材料的大规模可编程光子集成电路的设计与优化。
研究不足
该研究的局限性在于相变过程的唯象建模以及对理想脉冲形状的假设。实际实施中可能面临实现均匀加热和精确控制相变的挑战。
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利用石墨烯加热器模拟非易失性相变集成纳米光子结构的电学开关特性
DOI：10.1021/acsami.0c02333
期刊：ACS Applied Materials & Interfaces
出版年份：2020
更新时间：2025-09-23 15:19:57
摘要：
集成纳米光子学的进步使得面向通用电子-光子片上系统的大规模可编程光子集成电路（PIC）成为可能。这类依赖微弱且易失的热光或电光效应的系统通常表现出有限的可重构性，同时伴随高能耗与大尺寸问题。通过采用硫系相变材料（如Ge2Sb2Te5/GST），可在相变时以自保持方式提供显著光学对比度来应对这些挑战。然而当前基于PCM的集成光子应用受限于光学/电学自加热驱动方案的可扩展性，仅能实现单器件或简单PIC。虽然外部电热器导热加热支持大规模集成与大范围开关，但快速高效的电控方案仍有待突破。
本研究基于可编程硅基GST平台，建立了石墨烯加热器驱动的GST包覆集成纳米光子结构电学开关模型。得益于石墨烯超低热容与高面内热导率特性，该结构在实现完全相变（确保强衰减~6.46 dB/μm及1550 nm波长处~0.28π/μm光学相位调制）的同时，展现出约80 MHz的高开关速度及优异能量效率（结晶态19.2 aJ/nm3，非晶态6.6 aJ/nm3）。相较于氧化铟锡和硅p-i-n加热器，石墨烯加热器结构在加热效能与整体性能方面呈现两个数量级的优势。本研究有助于解析PIC中导热加热驱动相变的机理，为未来大规模PCM基电子-光子系统发展奠定基础。
作者：
Jiajiu Zheng，Shifeng Zhu，Peipeng Xu，Scott T. Dunham，Arka Majumdar
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