光子集成电路（PICs）在近年来已经逐渐发展为一项成熟且强大的技术。与电子集成电路相比，PIC是一种集成不同光学器件和光电器件的电路，它在信息传输和处理领域有着巨大的优势，已被广泛应用于光纤通信，光神经网络，量子信息处理等领域。但目前，绝大部分的PICs都是针对某一特定应用而对其进行设计并制造的，无法适用于多种应用领域及应用场景，为解决这一问题，研究人员提出了一种硅基可编程PICs，可通过电控和温控等方式对片上光波导及其他功能器件进行重新配置，从而实现对光信号的再次调控。然而，随着PIC尺寸的增大，传统的硅基PIC调谐方法（如热光学，自由载流子色散效应等），需要较大的编程能量。基于硫族化合物的相变材料（PCM）可解决上述问题，由于其非易失性微观结构相变，复杂折射率下对比度大和CMOS兼容性等特点，PCM是构建可编程PIC的理想材料。

近日，华盛顿大学的Arka Majumdar等人采用最先进的纳米制造技术设计了一种高度优化的器件，该器件可通过单层石墨烯加热器对混合PCM-硅基PIC进行非易失性编程，具有极低的功耗。

本文要点：

1）该工作制备了一种利用单层石墨烯加热器进行非易失性编程的硅基PIC器件，其具有超低的编程能量密度（8.7 ±1.4 aJ /nm3），CMOS驱动电压（≤ 5 V）和电流（≤ 2.78 mA），以及高循环稳定性（超1000次）。

2）该工作还表明，石墨烯不仅是一种可靠的加热器，可以由CMOS电子器件控制，还与Si3N4在内的介电材料兼容，可用于任意基板。

Zhuoran Fang，et al，Ultra-low-energy programmable non-volatile silicon photonics based on phase-change materials with graphene heaters，Nature Nanotechnology，2022

DOI：10.1038/s41565-022-01153-w

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01153-w