《Frontiers of Optoelectronics》期刊近日发表了华中科技大学张新亮、董建绩教授团队撰写的有关集成光开关研究进展的综述论文，该论文介绍了基于不同材料特别是二维（2D）材料的集成光开光，整理和总结了不同类型（如全光、热光和电光）光开光最先进的工作原理、器件结构和能耗、响应速率等性能参数。对光开关性能总结和未来发展的预测显示了基于二维材料和其他材料的光开关的前沿研究动态，不仅为研究人员提供了这一领域的研究概况，还能使他们能够认识到现有的挑战并预测最有希望的研究方向。

 

研究背景

为了满足数据中心不断增长的性能要求，光开关在光计算和互连中的应用越来越受到重视。传统的光子集成回路（PIC）在能耗、运行速度和制造成本等方面都面临着严峻的挑战，集成光开关作为大规模PIC的基本单元和光互联的关键器件，它的性能往往决定了整个回路的性能上限。为了使光开关更好地适用于高性能的光电系统，开发出兼具低能耗、小尺寸和超快响应时间的光开关是非常必要的。

传统的基于热光效应或等离子体色散效应的集成光开关利用了波导有效折射率的变化，其开关性能已经达到了体材料固有特性所带来的技术极限，无法充分满足日益增长的需求。因此，研究人员将2D材料、聚合物等先进材料引入传统光学器件中，开发了混合结构以改善光开关的性能。近年来，基于石墨烯、黑磷和过渡金属硫化物等2D材料及其他材料的集成光开关在速度和能耗方面已显示出许多优势，也受到了越来越多的关注。，2D材料原子尺寸的薄层结构降低了材料的维度，从而带来了独特的光学和电学性质。它们具有高的电子迁移率、强的各向异性、强的光致发光效应、可调的带隙和较大的光学非线性，为提高光电器件的性能提供了巨大的机遇。将2D材料与CMOS兼容的集成光子学器件相结合，可以弥补波导本身的固有缺陷，有望实现高性能的光开关。

内容简介

本论文按全光、热光和电光三种不同的工作机理对基于不同材料的集成光开关进行归纳总结，阐述了基于不同材料特别是2D材料的集成光开光的最新研究进展，统计了近十年来具有代表性的全光、热光、电光开关的性能，并分析了数据背后存在的挑战和发展趋势。论文重点关注了开关的能耗和响应速率，因为这两个参数对于光开关在大规模PIC中的实际应用最为关键，预计未来的互连技术将要求芯片上的光学元件消耗的能量低于1飞焦每比特。论文中所有数据均取自2020年4月之前发布的研究，这些数据将随着该领域的研究进展不断更新，从而为相关研究人员提供有价值的参考和指南。

图文导读

 图1.（a）全光和电光开关的能耗随时间的发展趋势（b）热光开关的能耗随时间的发展趋势

                            图2. 全光、热光和电光开关的开关时间随时间的发展趋势

图3.各种全光开关（a）、热光开关（b）和电光开关（c）的开关时间和能耗的二维展示。 (PhCW：光子晶体波导，WG：波导，MZI：马赫泽德干涉仪，MRR：微环谐振器)

PI简介

董建绩，华中科技大学教授、博士生导师，2016年国家优秀青年基金获得者，2010年全国优秀博士学位论文奖获得者，2011年入选教育部“新世纪优秀人才”计划，2013年获得湖北省自然科学奖一等奖（排名第一）。 2008年—2010年在剑桥大学从事博士后的研究，现任武汉光电国家研究中心主任助理。

长期从事集成光计算、集成微波光子学的研究，在超快光学运算、高效硅基波导光场调控和任意波形光学产生络等领域开展了多项开拓性研究，取得了多项创新成果。在Nature Communications、Light: Science & Applications、Physical Review Letters以及Optics Letters、Optics Express等国际权威期刊共发表学术论文100余篇，2篇论文入选ESI高被引论文，撰写英文书籍章节1篇。相关成果被编入通用英文教科书《Fiber-optic Communication Systems》第四版，主持国家自然科学基金项目4项，主持重点研发计划项目课题1项，获得授权的国家发明专利6项，是《Frontier of Optoelectronics》执行主编、自然出版集团刊物《Scientific Reports》编委和《IET Optoelectronics》副主编，IEEE高级会员，在国际学术会议上作邀请报告25次。