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2025-07-31
引言：光開關在AI時代的核心價值
隨著人工智能與深度學習對高并行計算需求的爆發(fā)式增長，傳統(tǒng)電子芯片面臨能效瓶頸?；?strong>微環(huán)諧振器（MRR）的光開關憑借其納米級尺寸、超低功耗及光域并行處理能力，成為新一代光子計算的核心元件。東京大學與日本產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所（AIST）合作開發(fā)的Ge?Sb?Te?S?（GSTS）非易失性硅微環(huán)諧振器光開關，通過創(chuàng)新性相變材料工程，實現(xiàn)了跨波長的高性能光調(diào)制，為光通信與光子AI芯片提供了顛覆性解決方案。
一、技術痛點：傳統(tǒng)光開關的局限性與GSTS材料的突破
1.1 MRR光開關的性能瓶頸
微環(huán)諧振器通過諧振波長處的光強度調(diào)制實現(xiàn)開關功能，其品質(zhì)因數(shù)（Q因子） 直接影響波長選擇精度與信道容量。傳統(tǒng)相變材料（如GST）在非晶態(tài)仍存在光吸收損耗，導致Q值下降，限制多波長系統(tǒng)的擴展性。
1.2 GSTS材料的革命性優(yōu)勢
Ge?Sb?Te?S?（GSTS）作為寬禁帶相變材料，具備四大突破特性：
近零非晶態(tài)吸收（0.0062 dB/μm），保留MRR高Q因子（>9.7×10?）
高晶態(tài)吸收率（2.3 dB/μm），實現(xiàn)>35 dB消光比
無毒環(huán)保特性（對比含硒材料GSST）
支持C+L波段寬帶操作（1490–1560 nm）
圖1：集成GSTS強度調(diào)制器的硅微環(huán)諧振器光開關三維示意圖
二、核心技術：GSTS-MRR光開關的設計與制造
2.1 器件架構(gòu)優(yōu)化
器件采用220 nm SOI硅波導平臺，通過優(yōu)化20 μm半徑微環(huán)設計，在緊湊尺寸下實現(xiàn)高FSR（自由光譜范圍），支持多波長并行處理。
2.2 關鍵制造工藝
1. 等離子增強化學氣相沉積（PECVD）生長400 nm SiO?包層
2. 電子束光刻開窗形成2 μm調(diào)制區(qū)
3. 射頻濺射沉積20 nm GSTS相變層與保護層
4. 精準圖案化定義光開關功能區(qū)
圖2：(a)GSTS光開關制造流程 (b)集成8μm調(diào)制器的MRR顯微圖
三、性能驗證：超低損耗與多波長切換能力
3.1 開關性能實測數(shù)據(jù)
狀態(tài) | 吸收系數(shù) (dB/μm) | Q因子 | 消光比 |
非晶態(tài) | 0.0062 | 9.7×10? | - |
晶態(tài) | 2.3 | 諧振峰消失 | >35 dB |
3.2 多波長操作優(yōu)勢
實驗證明，GSTS光開關在1490–1560 nm波段內(nèi)：
非晶態(tài)保持Q因子不變（對比無GSTS器件的4.9×10?）
晶態(tài)下完全抑制諧振峰，實現(xiàn)跨波長一致開關
圖3：GSTS光開關非晶/晶態(tài)衰減對比
四、應用場景：賦能下一代光電子集成系統(tǒng)
4.1 光子神經(jīng)網(wǎng)絡加速
GSTS-MRR光開關的非易失特性可存儲權(quán)重信息，無需持續(xù)供電，顯著降低光子AI芯片功耗。其多波長并行能力可將矩陣運算速度提升10倍以上。
4.2 光通信系統(tǒng)升級
波分復用（WDM）系統(tǒng)：高Q值支持密集信道間隔
可重構(gòu)光交換網(wǎng)絡：納秒級切換速度與零靜態(tài)功耗
圖4：GSTS光開關寬帶操作性能
五、科毅光通信技術布局
作為領先的光開關解決方案提供商，廣西科毅光通信科技有限公司持續(xù)追蹤前沿光子技術：
技術轉(zhuǎn)化方向：
1. 開發(fā)基于GSTS的O-band/C-band商用光開關模塊
2. 優(yōu)化MRR陣列封裝工藝，提升集成密度
3. 探索硅基-聚合物混合集成降低成本
重新定義光開關的技術邊界
GSTS非易失性微環(huán)諧振器光開關的突破，標志著光電子集成進入低功耗、多波長、高精度的新時代?？埔愎馔ㄐ艑⒊掷m(xù)推進該技術在數(shù)據(jù)中心、5G前傳及光子AI計算場景的落地，助力中國光電子產(chǎn)業(yè)升級。
選擇合適的光開關是一項需要綜合考量技術、性能、成本和供應商實力的工作。希望本指南能為您提供清晰的思路。我們建議您在明確自身需求后，詳細對比關鍵參數(shù)，并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術扎實、質(zhì)量可靠、服務專業(yè)的合作伙伴。
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