Ultra-low-energy programmable non-volatile silicon photonics based on phase-change materials with graphene heaters

光子学 材料科学 石墨烯 光电子学 硅光子学 纳米技术
作者
Zhuoran Fang,Rui Chen,Jiajiu Zheng,Asir Intisar Khan,Kathryn M. Neilson,Sarah Geiger,Dennis M. Callahan,Michael Moebius,Abhi Saxena,Michelle Chen,Carlos Rı́os,Juejun Hu,Eric Pop,Arka Majumdar
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:17 (8): 842-848 被引量:259
标识
DOI:10.1038/s41565-022-01153-w
摘要

Silicon photonics is evolving from laboratory research to real-world applications with the potential to transform many technologies, including optical neural networks and quantum information processing. A key element for these applications is a reconfigurable switch operating at ultra-low programming energy—a challenging proposition for traditional thermo-optic or free carrier switches. Recent advances in non-volatile programmable silicon photonics based on phase-change materials (PCMs) provide an attractive solution to energy-efficient photonic switches with zero static power, but the programming energy density remains high (hundreds of attojoules per cubic nanometre). Here we demonstrate a non-volatile electrically reconfigurable silicon photonic platform leveraging a monolayer graphene heater with high energy efficiency and endurance. In particular, we show a broadband switch based on the technologically mature PCM Ge2Sb2Te5 and a phase shifter employing the emerging low-loss PCM Sb2Se3. The graphene-assisted photonic switches exhibited an endurance of over 1,000 cycles and a programming energy density of 8.7 ± 1.4 aJ nm–3, that is, within an order of magnitude of the PCM thermodynamic switching energy limit (~1.2 aJ nm–3) and at least a 20-fold reduction in switching energy compared with the state of the art. Our work shows that graphene is a reliable and energy-efficient heater compatible with dielectric platforms, including Si3N4, for technologically relevant non-volatile programmable silicon photonics.
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