相变材料(PCM)具有优异的光学性质,在多种集成光子器件中极具应用前景,如光存储器、光开关和光神经形态计算器件.然而,由于集成光子器件相变材料光学性能评价标准的缺乏,新型相变材料的设计主要依赖于研究者的研究经验.本文基于相变光子器件的性能需求,引入材料品质因子(FOM2=Δk/kamor)来评价相变材料的光学性能,建立了针对损耗调制型相变光子器件相变材料的光学性能评价标准.FOM值的大小代表相变材料在构建高性能相变光子器件中的应用潜力, FOM值越大,相变材料应用于光子器件的限制就越小.在此基础上,本文基于光学带隙理论,建立了相变材料光学参数与FOM值之间的关系,开发了三种基于GST的新型光学相变材料.结果表明,氮等非金属元素掺杂可以提高GST的FOM值,有利于开发低损耗、高调制空间的损耗型相变光子器件和大规模损耗型相变光子阵列.除了FOM之外,相变材料的结晶温度也会影响器件的编程功耗、循环寿命和稳定性,这要求我们在实际应用场景中根据器件的需求选择合适的相变材料.总之,本文为相变材料的光学性能提供了评价标准,促进了集成光子器件应用中相变材料的定制设计.
