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基于GST相变材料的新型光波导器件的理论研究 Based on the GST phase Change Material Research on New Type of Optical Waveguide devices(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)基金项目：国家自然科学基金（61874072）、河南省教育厅重点科研项目（18A510022）摘要：GST材料在不同的相变状态具有不同的光学特性，微纳米光纤具有非常小的模斑本文研究了微纳光纤和GST光栅组成的新型光波导期间的特性，理论仿真可以得出：GST在非晶态时反射滤波谱的消光比比晶态时的大的多，反射谱的中心波长在非晶态时比晶态时小一些；随着光栅周期的增加，反射谱的中心波长发生红移；随着占空比的增加，反射谱的消光比会逐渐变小，对反射谱的中心波长漂移影响不大；随着微纳光纤半径的增加，反射谱的中心波长同样发生红移，消光比逐渐增加；随着耦合长度的增加，反射谱的消光比在随着耦合长度增加的过程中，先逐渐增大然后达到最大值关键词：相变材料；微纳光纤；光栅；光波导Abstract: The optical properties of GST in different states are very small. In this paper, the characteristics of the new optical waveguide composed of micro nano fiber and GST grating are studied. The theoretical simulation results show that the extinction ratio of reflection filtering spectrum of GST in amorphous state is much larger than that in crystalline state, and the central wavelength of reflection spectrum is smaller in amorphous state than that in crystalline state; with the increase of grating period, the central wavelength of reflection spectrum shifts red; with the increase of duty cycle, the reflection spectrum is reflected With the increase of the radius of the micro nano fiber, the central wavelength of the reflection spectrum also redshifts, and the extinction ratio increases gradually; with the increase of the coupling length, the extinction ratio of the reflection spectrum first increases and then reaches the maximum value.Keywords: Phase change material; micro/nano fiber; optical grating; optical waveguide近年来，锗锑碲（GST）材料的结构相变以及相变后所产生的一系列性质的改变一直是研究的热点问题[1-6]。

GST 相变材料是由GeTe 和 Sb2Te3通过不同配比得到，结合了GeTe具有较快非晶化速度和 Sb2Te3具有较快晶化速度的优点不同的配比具有不同的性质，需要研究优化配置获得最佳光学调控特性GST 晶体具有亚稳相立方结构和稳定相六方结构，但其非晶结构很难确定，因为在非晶时原子排列是无规则的，文献报道中已用各种实验方法和理论计算得到了很多不同的结果，但到目前为止仍没有一个统一的结论，需要进一步探索此外，对传统 GST 薄膜进行掺杂也会对其结构、热学、电学、光学等材料性能带来重要影响，需要研究探讨不同掺杂元素在 GST 薄膜中存在的形式及具体作用，分析掺杂GST薄膜的结晶特性及相变特征，为研发适用于光路调控用的相变材料提供指导方向虽然GST材料已应用于微电子相变存储器中，但是它的光学特性特别是在对光子调控方面的研究还刚刚起步，需要深入研究相比于其他相变材料，GST 系列合金是最为成熟的相变材料，具有晶化速率快、非晶态与晶态电阻和折射率变化大、非晶态和晶态之间具有较好的可逆性Ge2Sb2Te5材料的晶化温度约为 168oC，结晶时间最短可以达到 50ns在168oC附近，GST薄膜发生从非晶态到面心立方（FCC） 晶态结构的转变，薄膜方块电阻缓慢下降；而在300oC附近，GST薄膜发生从 FCC 结构到六方密堆（HEX）结构转变，电阻进一步下降；最后当温度高于 350oC 后，电阻基本保持不变。

由于非晶态 GST 薄膜表现为半导体特性，FCC 晶态薄膜表现为半金属特性，而六方晶态薄膜表现为金属特性，三者的电阻率发生了巨大改变，也导致了光学特性，即材料折射率实部和虚部的巨大变化原始沉积态的GST薄膜是非晶态的,对材料进行热退火,薄膜开始结晶的过程,随着退火温度的升高和退火时间的延长,薄膜内晶核不断增大,结晶程度不断增加当退火温度相对较低时,GST薄膜由非晶态转化为亚稳态的晶态结构此结构的原子排列非常接近岩盐(NaCl)结构当退火温度进一步上升或者退火时间进一步延长时,GST薄膜由NaCl型的晶态结构转变为六方HEX晶态结构在GST材料晶态结构中,Ge原子与周围的六个Te原子之间成共价键,形成八面体结构，而非晶态结构中Ge原子与周围的四个Te原子构成四面体结构Ge原子在上述两个位置之间的跳跃(雨伞型跳跃)造成了材料由非晶态向晶态的转变相变过程中,相变材料的很多比较强的共价键并不需要打破,由Te原子所架构的晶格结构也没有发生大的变化,Sb原子的邻近结构也都几乎没有变化,只需将Ge-Te键打断即可完成跳跃,完成快速相变过程GST材料并没有真正被融化至液态,而只是打断了部分共价键即完成从晶态到非晶态的转变，如图1所示。

图1 GST晶体结构及相变过程：（a）GST亚稳态FCC结构，（b）GST晶态到非晶态转变近年来2mm波段的光通信成为了研究热点之一，它可以有效增加光通信网络的信息传输容量基于GST相变材料的研究处于理论阶段，文献中报导的应用包含定向耦合器[7-9]和光开关[10-15]等由于GST材料非晶态和晶态具有不同特定的光学特性，因而实现的光开关两种状态具有自保持能力，有利于器件的稳定工作GST材料折射率与波长相关，通过选择适当的工作波长，可以增加器件如光开关消光比，而同时减小插入损耗GST折射率在1550nm波长附近为4.6+i0.12(非晶态)和7.45+i1.49(晶态)，其中非晶态的损耗比晶态损耗大幅度减小，因此，在基于微纳光纤、GST和金膜组成的结构中，通过外加电压的电流热效应来改变GST材料的相变使得GST材料的有效折射率发生改变，从而来研究GST材料做成的光栅对该结构的性能的影响首先我们采用软件仿真进行理论上的研究1 器件结构的理论研究微纳光纤[16]、GST和金膜[17]的三明治结构如图2所示：图 2 GST光栅结构示意图. (a) 俯视图，(b) 侧视图，(c) 透视图从2图中可以看出，决定光栅的参数主要是：光栅的周期 L = (a + d)/cos(q)、占空比 f = d/p和GST材料的厚度h。

为了防止微纳光纤的倏逝场穿透金膜进入硅衬底中，根据金材料特性，我们采用50nm厚度的金膜即可阻止微纳光纤和硅衬底的相互作用和布拉格金属光栅类似，GST光栅也具有金属光栅类似的布拉格反射波长和反射率，根据布拉格光栅的特性可以知道布拉格波长[8]为： (1)公式中neff =(dneff1 + aneff2)/L为平均有效折射率，其中neff1和neff2分别为微纳光纤附着在金属上和没有附着在金属上的模式有效折射率根据布拉格光栅的特性，布拉格光栅的反射带宽[9]为： (2)其中κac为耦合系数，如果(κacLc)2 << π2，式子(2)可以简化为： (3)布拉格光栅的反射率由下面公式[10]决定： (4)本文的仿真程序中采用的GST合金材料的比例是2:2:5，这种GST材料在晶态和非晶态的折射率的实部和虚部如图3所示：图3 GST材料不同状态时的折射率：(a) 实部和 (b) 虚部2 GST光栅的结构参数对器件特性的影响由于GST 材料也是做成光栅的结构，因此对于混合等离子波导，中间层的厚度直接影响光模场的大小和能量的高低，我们首先分析不同厚度的GST薄膜在两种状态时对滤波特性的影响：图 4 不同厚度GST光栅的反射谱：(a) 非晶态和 (b) 晶态如图4可以看出：对于图(a)，在GST的非晶体状态，当GST的厚度从20nm到60nm变化的过程中，随着厚度的增加，反射谱的消光比在逐渐减小，说明在GST厚度增加的过程中，微纳光纤、GST和金属薄膜的相互作用在逐渐减弱，整个结构的等离子效应在逐渐减弱；在GST的晶体状态，GST呈现的是金属材料特性，当GST薄膜比较薄时，微纳光纤的光场除了和GST的光栅组成混合等离子波导，还和衬底的金膜组成混合等离子波导，整个波导的器件损耗非常高，因此在GST薄膜厚度很薄时，反射谱的消光比非常小，当薄膜厚度增加到一定程度时，微纳光纤和金膜的等离子效应变得非常弱，这个时候主要和GST光栅之间组成混合等离子波导，并且GST比金的损耗要小的多，因此，当GST材料晶态的厚度增加时， 反射谱的消光比会增加。

在本章中，我们通过给GST材料增加电场，通过电流的热效应使得GST材料经过一定时间后达到材料的相变温度168℃，因此GST材料的厚度无论在哪个状态都需要一个厚度，综合考虑我们选择GST材料的厚度为20nm和前面的金属光栅相比较，在GST的非晶态，我们可以用很薄的GST材料就可以实现光栅的滤波特性，并且可以制作得到矩形结构的光栅，当我们通过电流热效应改变GST材料的状态时，我们可以改变反射谱的中心波长移动通过上面的分析，我们选择GST材料的厚度为20nm，分别改变GST光栅的周期和占空比来研究GST光栅反射谱的滤波特性：图 5 不同周期GST光栅的反射谱：(a) 非晶态和 (b) 晶态从图5可以看出，无论是晶态还是非晶态的GST光栅，当光栅的周期从0.5mm到0.65mm逐渐增加的过程中，反射谱的中心波长都发生红移，所不同的是非晶态反射谱的消光比比晶态的大的多仿真的参数分别是：光纤半径0.7mm和光栅的占空比0.4通过仿真我们确定GST光栅的周期做成0.55和0.6mm占空比的改变对反射谱的影响如图6所示软件仿真所用的参数时：微纳光纤半径0.7mm和光栅周期0.55mm从图中可以看出，光栅占空比的改变对反射谱的中心波长漂移影响不大，而随着占空比从0.4到0.6逐渐增加的过程中，反射谱的消光比在逐渐降低，这是由于当占空比增加时，微纳光纤和GST作用长度增加，虽然GST处于非晶态，但是它仍然具有复介电常数，因此由于作用距离的增加，会带来更多的传输损耗，在反射端得到的光能量会降低，引起消光比的降低。