【基于GST材料的宽波段波导】

在相变过程中，GST材料的复折射率产生巨大变化，可应用于宽波段范围的波幅调制。基于图1中的器件，研究人员实现了波导光谱在高、低传输态之间连续八次循环开关，具有良好的稳定性(图2a)。传热模拟证实温度达到了GST材料晶化与非晶化的阈值。其中非晶化所需能量仅为5.55 nJ, 对应能量密度为127.6 aJ nm–3。排除接触电阻的功率损耗，石墨烯加热元件所耗能量仅为0.380 ±0.062 nJ, 对应的能量密度为8.7 ± 1.4  aJ nm–3。单次开关编程所需能量比现有技术降低20倍，逼近热力学极限。此外，器件表现出良好的循环耐久性，实现高达1500次的循环开关(图2b)。

【基于Sb2Se3材料的相移单元】

在PIC中，移相器通常用于构筑马赫—曾德尔干涉仪，调节光的相位。基于图一的器件设计理念，研究人员采用另一种相变材料Sb2Se3以及相同的石墨烯加热元件，构筑了移相器(图3a)。在1549 nm处，实现了环形谐振器的可逆调谐。其中，非晶化需总能量为9.25 nJ，排除接触电阻的功率损耗，石墨烯加热元件所耗能量仅为0.57 ±0.09 nJ, 对应的能量密度为7.9 ± 1.3  aJ nm–3。最大谐振位移为0.021 nm，对应的相位偏移为0.00822π，与目前最先进的PN结型移相器相比，性能提高三倍。

【多级准连续相位调制】

众所周知，PCM材料可以实现多阶转变，这种特性被广泛利用于存储和神经网络等领域。在进一步的研究中，研究人员通过调控编程的能量，实现了准连续的多级相位调制。当编程电压逐渐的从5.5增加至6.4 V(步长0.1 V)时，谐振倾角向短波方向移动，表明PCM材料中部分非晶化中间态的存在(图4a)。在不同的编程电压下，器件也表现出稳定的动态响应，可以清晰的辨别出8个不同的传输态，相邻传输态的对比度约为1 dB(图4b)。拟合数据表明，光的相移和传输与编程能量表现出良好的线性关系(图4c,d)。

总结：研究人员以单层石墨烯作为加热元件，基于Ge2Sb2Te5和Sb2Se3两种PCM分别构筑了宽波段开关器件和移相器件。编程能量密度低至8.7 ± 1.4  aJ nm–3，比当前最先进的技术低了二十倍。同时通过调控编程能量，实现了准连续的多级相位调谐，大大推动了非易失性可编程硅光子学的发展。