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(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，因此具有實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效的高速光子系統(tǒng)的潛能，這大大滿(mǎn)足了不斷增長(zhǎng)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(xiàn)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(duì)緩慢的響應(yīng)時(shí)間。因此，實(shí)現(xiàn)一種同時(shí)具有小尺寸、低功耗和快速響應(yīng)時(shí)間的全光調(diào)制器是非常必要的。

  在過(guò)去的幾十年中，2D材料如石墨烯、MXene、磷烯、銻烯、鉍烯和過(guò)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(jí)的超快響應(yīng)時(shí)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(shí)間達(dá)納秒級(jí)，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(gè)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(lái)增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用。

  2D黑磷(BP)又稱(chēng)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(lái)被認(rèn)為是一種可與石墨烯競(jìng)爭(zhēng)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(jiàn)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(huì)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(shí)間。因此，BP和硅基MRR的混合將在硅基集成平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)高效率和快速響應(yīng)時(shí)間。

  近日，華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心的董建績(jī)教授和深圳大學(xué)張晗教授開(kāi)展合作研究，首次提出并實(shí)驗(yàn)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(shí)間和113 ns的下降時(shí)間，這是目前報(bào)道的磷烯調(diào)制器中最快的響應(yīng)時(shí)間，對(duì)應(yīng)的3 dB帶寬大于2.5 MHz(如圖2所示)。這種設(shè)計(jì)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(wú)需額外的刻蝕過(guò)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(lái)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(cè)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(xiàn)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(cè)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(jī)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2018YFB2201901)、國(guó)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