Моделирование распространения излучения в фотонной интегральной схеме на основе полимерного волновода и наночастиц фазоизменяемого материала
В.В. Ионин, В.А. Михалевский, А.А. Бурцев, А.В. Киселев, А.А. Невзоров, Н.Н. Елисеев, А.А. Лотин
ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.351
Оригинальная статья
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.
Ключевые слова: фотонные интегральные схемы, оптические волноводы, полимеры, фазоизменяемые материалы, халькогениды, наночастицы
- Ионин Виталий Вячеславович – научный сотрудник, ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
- Михалевский Владимир Александрович – научный сотрудник, ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
- Бурцев Антон Андреевич – научный сотрудник, ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
- Киселев Алексей Владимирович – к.ф.-м.н., научный сотрудник, ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
- Невзоров Алексей Алексеевич – к.ф.-м.н., научный сотрудник, ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
- Елисеев Николай Николаевич – младший научный сотрудник, ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
- Лотин Андрей Анатольевич – к.ф.-м.н., заместитель руководителя отделения, ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Ссылка на статью:
Ионин, В.В. Моделирование распространения излучения в фотонной интегральной схеме на основе полимерного волновода и наночастиц фазоизменяемого материала / В.В. Ионин, В.А. Михалевский, А.А. Бурцев, А.В. Киселев, А.А. Невзоров, Н.Н. Елисеев, А.А. Лотин // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 351-360. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.351.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
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.