黑磷与硅基光子混合集成调制器研究进展

  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。

  在过去的几十年中，2D材料如石墨烯、MXene、磷烯、锑烯、铋烯和过渡金属硫化物(TMDs)，因其在光调制器应用中的出色性能而吸引了极大的兴趣。在这些纳米材料的辅助下，全光调制器得到了广泛的应用。用石墨烯包覆的微光纤制成的全光调制器具有皮秒级的超快响应时间，但调制深度(MD)较小。在集成器件中，沉积石墨烯的碳化硅芯片的响应时间达纳秒级，但由于氮化硅热导率的限制，其能量效率较低，功耗高。硅具有更高的热导率，一个可行的解决方案是结合二维材料和硅波导的优点来增强光与物质的相互作用。

  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0.3 eV(块体)到1.5 eV(单层)，弥补了石墨烯和TMD之间的带隙间隙。因此，BP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。将BP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MD，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，BP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一种用于全光通信的磷烯辅助的集成硅基光子调制器(如图1所示)。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3 dB带宽大于2.5 MHz(如图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。

  (图1.BP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。)

  相关研究成果近期发表在《Nanophotonics》期刊上，董建绩教授和张晗教授为通讯作者，程钊和曹睿为第一作者，该工作得到了国家重点研发项目(2018YFB2201901)、国家自然科学基金委(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