Forscher der Huazhong University of Science and Technology schlugen einen pixelierten programmierbaren photonischen integrierten Schaltkreis (PICs) mit rekordhohen 20-stufigen Zwischenzuständen von Phasenwechselmaterialien (PCMs) vor.
Die Arbeit, gemeldet im Internationale Zeitschrift für Extreme Manufacturingkönnten den Weg für Anwendungen laserinduzierter PCMs in der neuromorphen Photonik, im optischen Computing und in rekonfigurierbaren Metaoberflächen ebnen.
Prof. Jinlong Zhu, korrespondierender Autor an der School of Mechanical Science and Engineering der HUST, erklärt: „Die Forschung an programmierbaren PCM-basierten PICs und Metaoberflächen nutzte hauptsächlich thermisches Tempern und elektrothermisches Schalten. Im Gegensatz dazu wurden mehrstufige PCMs mit Freiraumlaser verwendet.“ Umschalten bieten eine deutlich verbesserte Flexibilität bei der Phasenmodulation.
Programmierbare PICs haben sich zu leistungsstarken Plattformen in einer Vielzahl von Bereichen entwickelt, beispielsweise in der optischen Kommunikation, Sensoren und photonischen neuronalen Netzen. Aufgrund des großen Brechungsindexkontrasts (∆n >1) zwischen dem amorphen und dem kristallinen Zustand von Chalkogenid-PCMs haben Forscher PCMs in nanophotonischen Plattformen untersucht, um programmierbare optische Funktionen auszuführen.
Während es erhebliche Forschungsentwicklungen zu verlustarmen PCMs im amorphen und kristallinen Zustand gibt, steckt die Untersuchung der mehrstufigen Zwischenzustände im Mikrometerbereich noch in den Kinderschuhen. Die Forschung zu programmierbaren PCM-basierten PICs und Metaoberflächen nutzte hauptsächlich thermisches Tempern und elektrothermisches Schalten.
Infolgedessen wurde selten über programmierbare PICs und Metaoberflächen mit ultrahoher Flexibilität bei der Phasenmodulation unter Verwendung von mehrstufigen PCMs mit Freiraum-Laserumschaltung berichtet.
Die Forscher untersuchten die laserschreibenden mehrstufigen Zwischenzustände eines einzelnen Sb2S3-Elements auf der Mikroskala. Durch die Optimierung der Leistung und Menge der Laserpulse wurden 20-stufige Zwischenzustände einzelner Sb2S3-Pixel im Bereich von 120 bis 320 Pulsen realisiert. Der Durchmesser der Phasenübergangspixel beträgt etwa 1,2 μm, was durch den fokussierten Laser verursacht wird.
Durch die Nutzung mehrstufiger Zwischenzustände, die durch ein Laserschreibsystem im Mikrometerbereich erreicht werden, simulierten die Forscher einen Sb2S3-basierten Phasenschieber in einem programmierbaren Mach-Zehnder-Interferometer und zeigten, dass damit eine Phasenverschiebungsgenauigkeit von 30 Stufen von π bei einer Wellenlänge von 785 nm erreicht werden kann . Auf diese Weise wurde die Verfügbarkeit sehr großer pixelierter nichtflüchtiger programmierbarer PICs durch Simulation nachgewiesen.
Die auf der Sb2S3-Matrix basierenden programmierbaren photonischen integrierten Schaltkreise könnten einen positiven Einfluss auf universelle programmierbare photonische Schaltkreise und photonische neuronale Netze haben. Darüber hinaus eröffnen sich Anwendungen laserinduzierter programmierbarer Geräte für neuromorphe Photonik, optisches Rechnen und rekonfigurierbare Metaoberflächen.
Die Forscher setzen ihre Arbeit fort und wenden pixelierte programmierbare Phasenwechselmaterialien auf programmierbare photonische integrierte Schaltkreise und Metaoberflächen an.
Mehr Informationen:
Wenyu Chen et al., Pixelierte nichtflüchtige programmierbare photonische integrierte Schaltkreise mit 20-stufigen Zwischenzuständen, Internationale Zeitschrift für Extreme Manufacturing (2024). DOI: 10.1088/2631-7990/ad2c60
Bereitgestellt vom International Journal of Extreme Manufacturing