华盛顿大学中国博士生设计基于石墨烯与相变材料的硅光子开关，或为下一代数据中心奠定基础

云计算、人工智能、神经网络、甚至量子计算等，正在越来越深入地融入在人们的工作与生活中，而互联网的不断发展也对数据的处理提出越来越高的要求。

在计算机世界，数据的存储、处理以及传输主要由数据中心来实现，这些过程会消耗大量能量，数据量的增长尤其使数据中心的能耗呈指数递增。因此，迫切需求更节能的且效率更高的数据中心。

（来源：Nature Nanotechnology）

作为数据中心中最重要的硬件之一，服务器通过物理连接进行数据交换的多台高性能计算机组成。降低数据中心能耗的一种有效的方法是用光传播数据，并由电控的光子开关来控制光流，进而控制服务器之间信息的传输。由于数据中心的规模很可能会随着时间不断扩张，这其中起到控制数据传输作用的光子开关，则需要功能多样且能效较高。

最近，华盛顿大学电气和计算机工程系博士生方卓然和他所在研究团队就提出了一种解决方法，可实现高效而节能的光子开关。他们提出的硅基光子开关通过相变材料和石墨烯进行控制，呈现出以相变材料 GST 的宽带光开关和基于新型相变材料 Sb₂Se₃ 的相移器。

与现有技术相比, 该技术可将光子开关的能耗降低至少 20 倍，在实验中已经达到了超千次循环的耐久性和 8.7 ± 1.4 aJ nm^-3 的编程能量密度，趋近于热力学理论极限。同时石墨烯还与氮化硅光子平台兼容, 有望应用于可见光波段。未来，这项技术很有可能将会大幅降低数据中心的能耗，使其更绿色环保。

▲图丨相关论文（来源：Nature Nanotechnology）

7 月 4 日，相关论文以《通过采用石墨烯来加热相变材料而实现的能耗超低的可编程非易失性硅光子开关》（Ultra-low-energy programmable non-volatile silicon photonics based on phase-change materials with graphene heaters） 为题的论文发表在 Nature Nanotechnology 上[1]。方卓然担任作者第一兼通讯作者。

“低能耗是实现大型集成光路的先决条件。他们做了一项非常全面的研究并且展示了出色的器件性能。这对推动基于相变材料的光子器件发展有着重要意义。”“这项工作展示了最先进的材料技术和制造工艺。”对于这项技术两位审稿人评价道。

目前，由于可以将已经成熟的半导体制造技术直接应用，光子开关领域中最广泛使用的是基于硅材料的硅光子开关。在此之前，硅光子开关的开闭调整主要通过热效应，即通过控制电流通过金属或半导体对材料施加热量，来调整改变材料的光学特性进而改变其中光的流动。

但是，这种方法不仅耗能高，而且需要持续保持电流的流通才能保持材料中光子的流动。也就是说，一旦解除电流，材料就会恢复到之前的状态，其中光子的流动（数据的传输）被立即断开。

而方卓然及其团队提出的解决方法，则将可以很好地解决这一问题。简单来说，该团队研发出了一种“一劳永逸”的开关，在“打开开关”使材料中的光子开始流动之后，不需要电流的流通也可以持续保持光子的流通，从而不需要持续耗能也能保持持续的数据传输。

该团队之所以可实现这一效果，其关键在于采用了一种非易失性的相变材料，这种材料在通过短时间的加热而性质转变之后，会持续保持在该状态，直到该材料接收到新的热脉冲。在接收到新的热脉冲后，材料会再次回到之前的原始状态。通过这一方法减少了之前需要持续保持电流流通所消耗的大量能量。

对于相变材料的加热，之前曾经有研究人员使用掺杂硅来进行。尽管硅本身是非导电体，但是当在硅中掺杂特定的如磷或硼等其他材料时，它的性质就会变成既导电又不会过多吸收用于传输信息的光流。

而当给掺杂硅通过电流时，它就如同加热器一样，可以改变与其相邻的相变材料的性质。不过在此之前的一个亟待解决的问题是，尽管只需给相变材料一个热脉冲而非持续加热即可，但是这一热脉冲消耗的能量也很高，甚至相比传统的非相变材料的光子开关也并不十分节能。

这主要是因为加热掺杂硅层最终使材料产生相变的效率不高，要想使厚度为 10 纳米的相变材料产生相变，需要加热的掺杂硅的厚度竟然需要 220 纳米。换句话说，大量的能量被浪费在了加热掺杂硅上。

▲图｜通过使用相变材料（深蓝色）和石墨烯加热器（蜂窝晶格）来控制光的流动的硅光子开关的概念图（来源：Nature Nanotechnology）

为了用更小的加热体积来实现同样的材料相变效果，方卓然和团队开发出一种新的方法。该团队使用纯硅（没有掺杂其他材料）作为光传播的介质，但在硅与相变材料之间加入了一层单层原子材料——石墨烯来进行导电。由于石墨烯优良的导电性并且厚度比硅薄 650 倍，可以大幅减少加热过程中的能量浪费。石墨烯超薄的原子结构同时也极大地降低了光的损耗。

“我们意识到降低能耗的关键是减小加热器的体积。只有单层原子厚度的石墨烯电导体正好是加热材料的理想选择。”方卓然表示。

方卓然是广东佛山人，本科与硕士毕业于牛津大学材料系，硕士科研期间师从麻省理工学院胡崛隽教授研究新型低损耗相变材料。博士进入华盛顿大学博士进入华盛顿大学阿尔卡·马朱姆达尔（Arka Majumdar）教授课题组研究教授课题组研究基于相变材料的非易失性硅光学。

他同时表示：“之前有许多团队都尝试过用石墨烯调制相变材料，但是性能都不够好，而且并非光学器件。我们整个实验耗时接近三年，经历了无数次试错才将器件制备工艺优化到现在的超高性能。”

事实上，与之前使用的掺杂硅相比，采用硅与石墨烯的光子开关的能量消耗至少降低了 70 倍，仅为 8.7 安焦耳每立方纳米（(aJ)/nm³），而且耐久性更强，已经在实验中通过了超千次循环，而掺杂硅之前的耐久性大约为 500 次循环。

接下来，研究团队将进一步提高该硅光子开关的耐久性，并且将其用于大型可编程硅光子网络中。这一技术有望为数据中心、量子计算机的能耗降低带来突破性的改变，并具有应用潜力。

参考资料：

https://www.eurekalert.org/multimedia/941554

1.Fang, Z., Chen, R., Zheng, J. et al. Ultra-low-energy programmable non-volatile silicon photonics based on phase-change materials with graphene heaters. Nature Nanotechnology (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01153-w