新型二维材料与硅基光子混合集成调制器研究进展

光电子器件与集成功能实验室

全光调制器避免了外部电信号到光信号的转换，因此具有实现节能高效的高速光子系统的潜能，这大大满足了不断增长的数据容量和处理速度的要求。在二维（2D）材料的辅助下，基于饱和吸收效应、光学非线性克尔效应和热光效应，全光调制器在通信领域中已得到广泛的应用。但是这些全光调制器在硅波导和二维材料的混合结构中显示出相对缓慢的响应时间。因此，实现一种同时具有小尺寸、低功耗和快速响应时间的全光调制器是非常必要的。

目前基于2D材料的全光调制器在硅基集成光子平台上的研究还很少，借助该平台可以实现超紧凑的全光调制器，便于大规模集成制造并与CMOS工艺兼容。将2D材料集成到硅基微环谐振器（MRR）中，可进一步增强器件中光与物质的相互作用。MRR具有高Q谐振峰，这会增加调制深度，且在MRR中谐振的光将显著增加光与物质相互作用的时间。因此，2D材料和硅基MRR的混合将在硅基集成平台上实现高效率和快速响应时间。

近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心的董建绩教授和深圳大学张晗教授开展合作研究，首次提出并实验证明了两种用于全光通信的2D材料（黑磷、MXene）辅助的集成硅基光子调制器。

2D黑磷（BP）又称为磷烯，具有电子迁移率高、光-物质相互作用强和带隙可调等优点，近年来被认为是一种可与石墨烯竞争的新型2D材料。BP的带隙为0.3eV（块体）到1.5eV（单层），可以吸收可见光到近红外光波段，这些独特的特性使得它非常适用于光通信设备。利用平均厚度为22 nm的磷烯薄膜作为吸收材料，获得了479 ns的上升时间和113 ns的下降时间，这是目前报道的磷烯调制器中最快的响应时间，对应的3dB带宽大于2.5 MHz（如图1、2所示）。这种设计BP与MRR直接接触，增强了光与物质在波导中的相互作用，BP可从块体材料中剥离并直接转移到硅波导上，无需额外的刻蚀过程，该集成器件很容易制造并与CMOS兼容。所提出的调制器有望应用于未来集成全光互连中。

MXene作为一种新型的2D晶体材料，由于其具有大的带隙可调谐性、低光衰减、宽带非线性光学响应、良好的导电性和较高的热导率，在光子学应用中备受关注并显示出巨大的潜力。此外，MXene可以通过喷墨打印这种前沿的方法直接转移到小尺寸集成器件上，喷墨打印成本低、可控性和可扩展性好且适合大规模集成制造。借助MXeneTi₃C₂T_x优异的光热性能，MRR的透射光谱发生了显著的变化，实验测得调谐效率高达0.09πmW^-1，调制深度约为7.8 dB，动态响应测得器件的上升和下降时间分别为300μs和90μs（如图3所示）。该工作将MXene引入了片上调制领域，这种基于MXene的集成全光调制器制作工艺简单、成本低，有望用于大规模集成光学互连器件中。

图1.黑磷调制器的结构和特性。（A）BP/MRR混合全光调制器的三维示意图。探测光（红色）和泵浦光（蓝色）都耦合到MRR波导中。（B）器件的显微镜俯视图。（C）BP/MRR混合结构的SEM图，红色虚线表示BP薄片的边界。（D）BP材料的拉曼光谱。（E）使用AFM的厚度测量结果，BP平均厚度为22 nm。

图2.波导内全光泵浦的示意图和结果。（A）当施加的泵浦光和探测光均在波导中耦合时的调制器示意图。（B）在不同功率的泵浦光中耦合时输出的透射光谱。（C）当泵浦光（蓝色）由500 kHz方波信号调制时，探测光（红色）的测量波形。（D）调制器的频率响应，其中蓝线是测量数据的拟合曲线。

图3.（a）MXene喷墨打印的示意图。（b）MXene喷墨打印MRR的显微镜俯视图。（c）不同功率的泵浦光下输出的透射光谱。（d）当泵浦光由300 Hz方波信号调制时，探测光的测量波形。

相关研究成果近期发表在《Nanophotonics》和《IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics》期刊上，该工作得到了国家重点研发项目（2018YFB2201901）、国家自然科学基金项目（61622502、61805090）的支持。

文献链接：

[1] Cheng, Z., Cao, R., Guo, J., Yao, Y., Wei, K., Gao, S., Wang, Y., Dong, J., and Zhang, H., “Phosphorene-assisted silicon photonic modulator with fast response time,” Nanophotonics, (2020),doi:10.1515/nanoph-2019-0510

[2] Yuhan Yao, Xuefeng Xia, Zhao Cheng, Kangkang Wei, Xiantao Jiang, Jianji Dong, and Han Zhang,“All-Optical Modulator Using MXene Inkjet-printed Microring Resonator,”IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2020, DOI: 10.1109/JSTQE.2020.2982985