Моделирование распространения излучения в фотонной интегральной схеме на основе полимерного волновода и наночастиц фазоизменяемого материала

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В работе представлены результаты численного моделирования распространения оптического излучения в волноводе из полимера SU-8 и модуляции сигнала при разном фазовом состоянии массива наночастиц фазоизменяемого материала Ge2Sb2Te5 ( GST ). Показано, как модулируется проходящее излучение для разного количества наночастиц при расположении сверху и на торце волновода. Результаты моделирования показывают, что помимо влияния фазовых состояний (кристаллического и амфорного) на свойства проходящего излучения, в случае наночастиц заметную роль играют не только отражение и поглощение, но и рассеяние материала. При увеличении расстояния между наночастицами наблюдается сильное увеличение потерь в волноводе, вызванное ростом рассеяния (потери высокие для обоих фазовых состояний). Продемонстрирована принципиальная возможность управления проходящим через интерфейс оптическим сигналом телекоммуникационного диапазона через переключение оптически-активного элемента на основе наночастиц фазоизменяемого материала. Предложенная в работе концепция создания фотонных интегральных схем является самой дешевой из всех известных планарных технологий создания волноводных устройств и позволяет реализовать вычислительные элементы и архитектуры на их основе с высокой степенью гетерогенной интеграции.

Об авторах

Виталий Вячеславович Ионин

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт

научный сотрудник

Владимир Александрович Михалевский

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт

научный сотрудник

Антон Андреевич Бурцев

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт

Email: murrkiss2009@yandex.ru
научный сотрудник

Алексей Владимирович Киселев

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт

к.ф.-м.н., научный сотрудник

Алексей Алексеевич Невзоров

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт

к.ф.-м.н., научный сотрудник

Николай Николаевич Елисеев

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт

младший научный сотрудник

Андрей Анатольевич Лотин

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт

к.ф.-м.н., заместитель руководителя отделения

Список литературы

  1. Zhang, W. Designing crystallization in phase-change materials for universal memory and neuro-inspired computing/ W. Zhang, R. Mazzarello, M. Wuttig, E. Ma // Nature Reviews Materials. - 2019. - V. 4. - I. 3. - P. 150-168. doi: 10.1038/s41578-018-0076-x.
  2. Phase change materials: science and applications / ed. by S. Raoux, M. Wutting. - New York: Springer Science+Business Media, LLC, 2009. - 450 p. doi: 10.1007/978-0-387-84874-7.
  3. Guo, P. A review of germanium-antimony-telluride phase change materials for non-volatile memories and optical modulators / P. Guo, A.M. Sarangan, I. Agha // Applied sciences. - 2019. - V. 9. - I. 3. - Art. № 530. - 26 p. doi: 10.3390/app9030530.
  4. Ovshinsky, S.R. Optical cognitive information processing-a new field / S.R. Ovshinsky // Japanese Journal of Applied Physics. - 2004. - V. 43. - I. 7B. - P. 4695-4699. doi: 10.1143/JJAP.43.4695.
  5. Lian, C. Photonic (computational) memories: tunable nanophotonics for data storage and computing / C. Lian, C. Vagionas, T. Alexoudi et. al. // Nanophotonics. - 2022. - V. 11. - I. 17. - P. 3823-3854. doi: 10.1515/nanoph-2022-0089.
  6. Abdollahramezani, S. Tunable nanophotonics enabled by chalcogenide phase-change materials / S. Abdollahramezani, O. Hemmatyar, H. Taghinejad et al.// Nanophotonics. - 2020. - V. 9. - I. 5. - P. 1189-1241. doi: 10.1515/nanoph-2020-0039.
  7. Han, S.-T. Photo-electroactive non-volatile memories for data storage and neuromorphic computing / S-T. Han, Y. Zhou. - Duxford: Woodhead Publishing, 2020. - 352 p. doi: 10.1016/C2019-0-00530-4
  8. Feldmann, J. All-optical spiking neurosynaptic networks with self-learning capabilities /j. Feldmann, N. Youngblood, C.D. Wright et al. //Nature. - 2019. - V. 569. - P. 208-214. doi: 10.1038/s41586-019-1157-8
  9. Yu, T. All-chalcogenide programmable all-optical deep neural networks / T. Yu, X. Ma, E. Pastor et al. // arXiv:2102.10398. - 2021. - 18 p. doi: 10.48550/arXiv.2102.10398.
  10. Sokolov, V.I. Routes to polymer-based photonics / V.I. Sokolov, G.V. Mishakov, V.Y. Panchenko, M.Y. Tsvetkov // Optical Memory and Neural Networks. - 2007. - V. 16. - I. 2. - P. 67-74. doi: 10.3103/S1060992X07020026.
  11. Ramirez, J.C. Low-loss modified SU-8 waveguides by direct laser writing at 405 nm /j.C. Ramirez, J.N. Schianti, M.G. Almeida et al. // Optical Materials Express. - 2017. - V. 7. - I. 7. - P. 2651-2659. doi: 10.1364/OME.7.002651.
  12. Суздалев, И.П. Нанотехнология: Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов / И.П. Суздалев. - М.: URSS, 2017. - 592 с.
  13. Casarin, B. Ultralow-fluence single-shot optical crystalline-to-amorphous phase transition in Ge-Sb-Te nanoparticles / B. Casarin, A. Caretta, B. Chen, et al. // Nanoscale. - 2018. - V. 10. - I. 35. - P. 16574-16580. doi: 10.1039/c8nr04350g.
  14. Caretta, A. Ultrafast response of Ge2Sb2Te5 nanoparticles: The benefits of low energy amorphization switching with the same read/write speed of bulk memories / A. Caretta, B. Casarin, B. Chen et al. //APL Materials. - 2023. - V. 11. - Art. № 071117. - P. 071117-1-071117-5. doi: 10.1063/5.0156207.
  15. Ionin, V.V. An optical synapse based on a polymer waveguide with a GST225 active layer / V.V. Ionin, A.V. Kiselev, A.A. Burtsev, et al.//Applied Physics Letters. - 2021. - V. 119. - I. 8. - Art. № 081105. - 5 p. doi: 10.1063/5.0063349
  16. Пат. 2788438 Российская Федерация, МПК G02F 1/29 (2006.01). Оптический синапс / Бурцев А.А., Ионин В.В., Китселев А.В, Лотин А.А., Минаев Н.В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" РАН. - № 2021133121; заявл. 15.11.21; опубл. 19.01.23, Бюл. № 2. - 12 с.
  17. Abdelghfar, A. Electrostatically tuned optical filters based on hybrid plasmonic-dielectric thin films for hyperspectral imaging / A. Abdelghfar, M.A. Mousa B.M. Fouad, et al. //Micromachines. - 2021. - V. 12. - I. 7. - Art. № 767. - 14 p. doi: 10.3390/mi12070767.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).