穆章健，李丽莹，杜 嘉，陈 楠，刘学静

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

引 言

光开关是集成光路上的一个基本元器件，起到把光动态切换到不同路径的作用。目前，片上光开关通常是基于电光或热光效应。但是以上两种效应产生的折射率差异均小于0.01，直接导致了设备的占用面积大且能耗增加。另外，由于这两种开关机制都是不稳定的，需要施加额外的源来维持光开关状态。

近几年，基于相变材料（phase change material，PCM）的片上光开关开始陆续出现[1]，相比传统的光开关它们有如下优势：1）在相变过程中能够形成巨大的光学调制特性和电阻率差异，如相变前后折射率差值大于1[2]，可以微化器件的结构；2）相变是非易失性的，即在晶态和非晶态的时候本身都比较稳定，不需要额外的能量来维持；3）在晶态和非晶态之间可实现ns级的快速转换；4）可实现多次稳定反复相变（可达1012个循环）。尽管基于相变材料的片开关具有这些吸引人的功能，但传统相变材料的高光吸收能力严重损害了现有基于相变材料的光开关的性能。两种最常用的相变材料是VO2和Ge2Sb2Te5（以下均简称为GST），它们即使在介电状态下，也会产生较高的光学损耗。比如，非晶态GST（与晶态相比具有较低的光学损耗）的消光系数k在1 550 nm波长处达到0.7，对应于42 000 dB/cm的衰减，这对于大多数导波设备应用来说是不可接受的。

GST是目前最常用的硫系相变材料，非晶态的透明波段在中、远红外，虽然适用操作波段宽至几十微米，但在通信波段附近，非晶态的GST依然有很强的吸收，这在集成光路中会造成明显的光损耗。……