黑磷與硅基光子混合集成調(diào)制器研究進(jìn)展

  全光調(diào)制器避免了外部電信號到光信號的轉(zhuǎn)換，因此具有實現(xiàn)節(jié)能高效的高速光子系統(tǒng)的潛能，這大大滿足了不斷增長的數(shù)據(jù)容量和處理速度的要求。在二維(2D)材料的輔助下，基于飽和吸收效應(yīng)、光學(xué)非線性克爾效應(yīng)和熱光效應(yīng)，全光調(diào)制器在通信領(lǐng)域中已得到廣泛的應(yīng)用。但是這些全光調(diào)制器在硅波導(dǎo)和二維材料的混合結(jié)構(gòu)中顯示出相對緩慢的響應(yīng)時間。因此，實現(xiàn)一種同時具有小尺寸、低功耗和快速響應(yīng)時間的全光調(diào)制器是非常必要的。

  在過去的幾十年中，2D材料如石墨烯、MXene、磷烯、銻烯、鉍烯和過渡金屬硫化物(TMDs)，因其在光調(diào)制器應(yīng)用中的出色性能而吸引了極大的興趣。在這些納米材料的輔助下，全光調(diào)制器得到了廣泛的應(yīng)用。用石墨烯包覆的微光纖制成的全光調(diào)制器具有皮秒級的超快響應(yīng)時間，但調(diào)制深度(MD)較小。在集成器件中，沉積石墨烯的碳化硅芯片的響應(yīng)時間達(dá)納秒級，但由于氮化硅熱導(dǎo)率的限制，其能量效率較低，功耗高。硅具有更高的熱導(dǎo)率，一個可行的解決方案是結(jié)合二維材料和硅波導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)來增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用。

  2D黑磷(BP)又稱為磷烯，具有電子遷移率高、光-物質(zhì)相互作用強(qiáng)和帶隙可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，近年來被認(rèn)為是一種可與石墨烯競爭的新型2D材料。BP的帶隙為0.3 eV(塊體)到1.5 eV(單層)，彌補(bǔ)了石墨烯和TMD之間的帶隙間隙。因此，BP可以吸收可見光到近紅外光波段，這些獨(dú)特的特性使得它非常適用于光通信設(shè)備。將BP集成到硅基微環(huán)諧振器(MRR)中，可進(jìn)一步增強(qiáng)器件中光與物質(zhì)的相互作用。MRR具有高Q諧振峰，這會增加MD，且在MRR中諧振的光將顯著增加光與物質(zhì)相互作用的時間。因此，BP和硅基MRR的混合將在硅基集成平臺上實現(xiàn)高效率和快速響應(yīng)時間。

  近日，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心的董建績教授和深圳大學(xué)張晗教授開展合作研究，首次提出并實驗證明了一種用于全光通信的磷烯輔助的集成硅基光子調(diào)制器(如圖1所示)。利用平均厚度為22 nm的磷烯薄膜作為吸收材料，獲得了479 ns的上升時間和113 ns的下降時間，這是目前報道的磷烯調(diào)制器中最快的響應(yīng)時間，對應(yīng)的3 dB帶寬大于2.5 MHz(如圖2所示)。這種設(shè)計BP與MRR直接接觸，增強(qiáng)了光與物質(zhì)在波導(dǎo)中的相互作用，BP可從塊體材料中剝離并直接轉(zhuǎn)移到硅波導(dǎo)上，無需額外的刻蝕過程，該集成器件很容易制造并與CMOS兼容。所提出的調(diào)制器有望應(yīng)用于未來集成全光互連中。

  (圖1.BP調(diào)制器的結(jié)構(gòu)和特性。(A)BP/MRR混合全光調(diào)制器的三維示意圖。探測光(紅色)和泵浦光(藍(lán)色)都耦合到MRR波導(dǎo)中。(B)器件的顯微鏡俯視圖。(C)BP/MRR混合結(jié)構(gòu)的SEM圖，紅色虛線表示BP薄片的邊界。(D)BP材料的拉曼光譜。(E)使用AFM的厚度測量結(jié)果，BP平均厚度為22 nm。)

  相關(guān)研究成果近期發(fā)表在《Nanophotonics》期刊上，董建績教授和張晗教授為通訊作者，程釗和曹睿為第一作者，該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)項目(2018YFB2201901)、國家自然科學(xué)基金委(61805090)的支持。

  [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, 0(0), (2020), doi:10.1515/nanoph-2019-0510