近日，我室宋春萌（2020级研究生）、高一骁博士和沈祥研究员等联合浙江大学研究团队在相变可重构光子器件的研究工作中取得进展，并在Optics Express期刊上发表题为“Compact nonvolatile 2×2 photonic switch based on two-mode interference”的文章(Optics Express, 2022, 30(17), 30430-30440. https://doi.org/10.1364/OE.467736)。

       可重构硅光集成器件在智能光计算、量子光学、光通信等领域具有重要的应用前景。作为可重构光系统中的关键单元，2×2光子开关需要具备结构紧凑、低功耗、低插损、高带宽、大消光比等特性。超低损耗的非易失性相变材料与硅基光子器件混合集成可为实现这一目标提供解决方案。硫系相变材料(Phase Change Materials, PCMs)在晶态-非晶态的切换过程中会有极大的折射率变化。近年来，传统的PCM(例如Ge₂Sb₂Te₅)通过与波导倏逝场相互作用实现了一系列可重构光器件，但是Ge₂Sb₂Te₅在通信波段具有大的吸收损耗（特别在其晶态），造成器件插入损耗较高。最近，超低损耗的Sb₂S₃/ Sb₂Se₃相变材料引起了人们广泛的关注，但是这一类材料的相变前后的折射率差相对较小（~ 0.6），必须依赖较长的器件尺寸实现对模场的有效调控。针对这一问题，我们提出了将Sb₂S₃集成在狭缝波导中，利用狭缝波导特有的场增强特性，与Sb₂S₃充分作用，并应用TE₀₀和TE₀₁模场对称性相反的特点，通过Sb₂S₃相变来对多模狭缝波导中的双模干涉行为进行调控，利用长度仅为9.4 mm相变材料-多模硅基波导的复合结构，实现了一种紧凑型2×2光子开关的设计，该器件具有0.26 dB的低插入损耗，同时保持在整个通信C波段低于-13.6 dB的较小串扰，特别在1550 nm，器件的串扰小于-32 dB。整个器件尺寸仅有~4.9×25.4 mm²，是已报道的基于PCM宽带2×2光子开关的最小尺寸。我们提出的光子开关可以与片上微加热器兼容，可望在神经形态光子计算，片上光信号处理和微波光子等应用中发挥作用。

图1 (a) 基于双模干涉的 2×2 光子开关示意图和狭缝波导的模场分布。(b) 在通信C波段，Sb₂S₃ 在非晶态和晶态的光开关输出端透射光谱。(c)在1550 nm波长处，Sb₂S₃ 在非晶态和晶态时光开关中光场分布。