Design of low loss 1 × 1 and 1 × 2 phase-change optical switches with different crystalline phases of Ge2Sb2Te5 films

材料科学 插入损耗 无定形固体 光开关 折射率 消光比 相(物质) 光电子学 光子学 光学 结晶学 波长 物理 有机化学 化学
作者
Yu Li,Furong Liu,Weina Han,Qiang Chen,Zihan Zhao,Xianju Xie,Yan Huang,Yukang Yuan
出处
期刊:Nanotechnology [IOP Publishing]
卷期号:31 (45): 455206-455206 被引量:5
标识
DOI:10.1088/1361-6528/aba928
摘要

On-chip photonics devices relying on the weak, volatile thermo-optic or electro-optic effects of silicon usually suffer from high insertion loss (IL) and a low refractive index coefficient. In this paper, we designed two novel 1 × 1 and 1 × 2 phase-change optical switches based on a signal-mode Si waveguide integrated with a Ge2Sb2Te5 (GST) top clad layer, respectively. The three-state switch including amorphous GST (a-GST), face centered cubic crystalline phase (FCC-GST) and hexagonal crystalline phase (HCP-GST) operated by utilizing the dramatic difference in the optical constants between the amorphous and two crystalline phases of GST. In the case of the 1 × 1 optical switch, an extinction ratio (ER) of 8.9 dB and an extremely low IL of 0.8 dB were achieved using an optimum GST length of only 2 μm. While for the 1 × 2 optical switch, low ILs in the range of 0.15 ∼ 0.35 dB for both 'cross' (a-GST) and 'bar' (FCC-GST and HCP-GST) states were also obtained. Additionally, we found that both ILs and mode losses of the switch with HCP-GST were about half lower than those with FCC-GST, which means FCC-GST could be instituted by HCP-GST in the traditional ovonic switch with the consideration of low loss. This research provides the fundamental understanding for the realization of low loss and non-volatile Si-GST hybrid optical switches, with potential for future communication networks.
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