基于相变材料的片上集成全光非易失性存储器的研究

On-chip integrated all-optical memory is the core device which can avoid the photo-electric-photo conversion processes and can break the bottlenecks of both transmission bandwidth and processing speed in modern all-optical fiber communication network. Based on both the urgent demand of all-optical network and the development direction of photonic integration technology, we will study a novel all-optical nonvolatile memory based on phase change materials to address the current issues including large power and slow operating speed. In this project, combining of resonant microring waveguide and Sb-rich phase-change films with high crystallization speed and low melting point will be employed to build a novel on-chip integrated all-optical nonvolatile multilevel and multibit memory. The effect of laser irradiation on phase change characteristics, as well as the implicit relationship between macroscopic phase-change properties and the local microstructures evolutions of laser-irradiated phase-change film, will be investigated in order to clarify the optical-induced phase-change mechanism. In addition, effect of phase-change composition and size on both speed and power of the devices, relationship between novel device structure and high-density storage, cycle life and failure mechanism of the devices will also be studied to enhance the overall performances of the tunable devices. Our ultimate goal is to obtain the promising candidate for integrated all-optical non-volatile memory, which can provide technical support and scientific basis for the development of all-optical network and integrated photonic technology.

片上集成全光存储器是现代全光通信网络中避免光-电-光转换过程，突破冯•诺依曼体系信息传输带宽和处理速度瓶颈的核心器件。本项目瞄准全光网络的迫切需求及光子集成技术的发展方向，研究基于相变材料的新型全光集成存储器，着力解决当前存在的功耗较高、速度不理想等问题。本项目拟采用低熔点、高速晶化的富Sb基相变薄膜，结合谐振特性的微环波导，构造新型片上集成全光非易失性多级、多位存储器。探索激光诱导对相变薄膜相变性能的影响，揭示光致相变薄膜的微观结构演化与宏观相变性能的内在关系，阐明光致相变机理。研究相变薄膜组分及尺寸对器件速度和功耗的影响关系，探索新型器件结构与高密度存储，研究器件循环寿命并分析失效机理，最终实现器件整体性能的提升与调控。本项目旨在获得具有实际应用前景的集成全光非易失性存储器，为全光网络及集成光子技术的发展提供技术支持和科学依据。

片上集成全光存储器是现代全光通信网络中避免光-电-光转换过程，突破冯ꞏ诺依曼体系信息传输带宽和处理速度瓶颈的核心器件。本项目瞄准全光网络的迫切需求及光子集成技术的发展方向，研究基于相变材料的新型全光集成存储器，着力解决当前存在的功耗较高、速度不理想等问题。本项目采用低熔点、高速晶化的富Sb基相变薄膜，结合谐振特性的微环波导，构造新型片上集成全光非易失性多级存储器。研究内容主要包括：研究激光诱导对富Sb基相变薄膜相变性能的影响机制，揭示富Sb基薄膜的相变机理；研究相变全光存储器件的设计与制备技术，制备出高品质因数和高消光比的微环谐振单元；评估相变全光存储器的功耗及速度，获得兼具低功耗和高速的光子存储器；研究相变全光存储器的高密度存储性能，实现多级光子存储。取得的主要结果有：(1)优化组分Sb84Er16在相变前后具有较大的光学性质差，源于其晶态共振键作用。在脉宽为30ps的光脉冲下可以实现晶化和非晶化，并具有较好的循环擦/写操作能力。掺入Si3N4或VO2后，富Sb薄膜的结晶机理从爆炸结晶转变为以成核为主的结晶机制。(2)多层Sb(2nm)/Si3N4(7nm)薄膜实现了多级电阻态，其器件单元表现出3个电阻态，中间态源于Sb层形成非晶和晶态的混合相，其阻值等价于晶态和非晶态下的电阻并联。(3)提出基于等离子效应的双金属环的光子存储器，在0.05×0.09μm2相变尺寸下的开光比达到15.8%，比同类型大尺寸器件的开光比高3%。在1ns/11ns的光脉冲下完成擦/写操作，功耗约为38pJ。(4)提出了基于相变复合反馈环-谐振微环的多级存储器单元。反馈环能使自由光谱范围(FSR)增加一倍，即从21.6nm增加到43.2nm，有利于提高系统波分复用能力，在波导总线上挂靠更多的波分器件。当交替改变微环和反馈环上的相变材料状态时，无需中间态的调制即可实现4级存储。而2级存储的开光比高达90%，是传统器件的4.3倍。(5)利用跑道型相变复合微环构造了光子神经卷积网络，并实现了图像识别的典型应用。本项目研究结果为全光网络及集成光子技术的发展提供技术支持和科学依据。