本文研究了基于硅基Sb2Se3相变材料的非易失性电控光开关，旨在解决硅基光子集成电路中因热光/载流子效应调控机制导致的器件尺寸大、静态功耗高及易失性问题。

1. 研究背景：

o 问题：硅基光子集成电路（PICs）在光互连、光学计算、可编程光学阵列和量子信息处理等领域有广泛应用。然而，传统的热光效应和自由载流子效应调控机制导致器件尺寸大、静态功耗高且易失，限制了其发展。

o 难点：传统硫系材料如锗锑碲（GST）和锗化碲（GeTe）在近红外通信波段表现出较高的吸收损耗，限制了其在可重构非易失光子器件中的应用。

o 相关工作：现有工作如FANGZ等人制作的基于Sb2Se3的硅基方向耦合器开关和SHANGK等人设计的多模干涉耦合器（MMI）在插入损耗和串扰方面有一定进展，但尚未实现多级操控或结构尺寸较大。

2. 研究方法：

o 设计了两种非易失性电控光开关结构：非对称方向耦合器（ADC）和马赫-曾德尔干涉仪（MZI）。ADC通过集成PIN加热器调控Sb2Se3的晶态，利用其晶态变化引起波导折射率的显著改变，从而控制光能量的耦合行为。MZI采用经典的双光束干涉原理，通过调控2个PIN加热器精确控制光路的相位差。

o 通过三维有限差分法和三维有限差分时域法（3D-FDTD）对ADC光开关进行优化，确定了最佳波导参数和耦合长度。利用Comsol多物理场仿真计算优化PIN加热器的结构，降低自由载流子吸收损耗。

o 制备工艺包括电子束曝光（EBL）、电感耦合等离子体刻蚀、离子注入、金属沉积、钝化层生长等步骤，确保器件的结构和功能。

3. 实验结果：

o ADC光开关：在1550nm波长下，非晶态与晶态的串扰分别为-11dB和-22dB，插入损耗约为0.4dB与1dB，耦合长度优化至23.65μm。通过施加电脉冲，成功实现多级调控，最高达到8级。

o MZI光开关：消光比超过14dB，单次最大调控能耗仅为0.32mJ。通过调节电压与时间实现多级操作，脉冲事件引起的损耗变化呈现规律性。

4. 总体结论：

o ADC光开关具有亚微米级耦合长度和高串扰抑制能力，适用于高集成度场景；MZI光开关结构容差性强，适用于对能耗敏感的应用。两种结构均展示了低功耗、紧凑型、非易失可编程集成光子开关的潜力，为低功耗、紧凑型、非易失可编程集成光子开关的实现提供了重要技术支持。

本文的研究结果为硅基Sb2Se3相变材料在光子集成电路中的应用提供了新的思路和实验基础。