集成用于片上光子学的2D材料

最近，在集成光学中引入非线性光学函数引起了极大的热情。演示显示了集成光子平台的潜力。此外，大规模制造能力和经济承受能力推动了全集成、非线性光学器件的发展。

设备，针对各种应用，例如所有片上光谱、片上量子计算和通信、数据的高效复用

通信、片上计量、生物传感或激光雷达。

在《光：先进制造》杂志上发表的一篇新论文中，由 Vincent Pelgrin 和 Zhipei Sun 教授领导的科学家团队回顾了混合光子集成结构的范围。

将这些不同的主动功能集成到硅光子学中也引起了广泛关注。与 CMOS 工艺的可能兼容性以及平台的整体低成本确实使其对行业非常有吸引力，其设备直接适合密集光电路制造。这些深度集成功能使硅兼容平台成为有趣的换位测试平台。在考虑利用非线性光学过程时，硅光子学存在一些障碍。这些主要是与洁净室工艺或自由载流子的存在兼容的最常见材料的弱非线性响应。

Si 在 C 波段范围内具有高度非线性，但由于其带隙较低，因此会遭受双光子吸收 (TPA) 的影响。不幸的是，大多数与硅集成兼容的经典材料在光学非线性方面缺乏强度。化学计量SiN非线性折射率(n 2 )几乎比Si低两个数量级。化学计量SiN非线性折射率(n 2 )比Si低近两个数量级。

使用各种硅基材料产生集成光学功能的演示令人印象深刻。这些包括超连续谱源、频率梳和通过自发四波混频的光子对源。在某些领域，社区正在推动更高效的设备，以实现高性能和低功耗。损耗水平为几 dB/m 的退火 SiN 波导已被证明，但所需的泵浦功率仍然很大。需要长波导来实现足够的非线性过程，从而对完全集成的器件提出光学功能的要求。

或者，诸如富硅波导或使用 pin 结来设计载流子密度等材料已经显示出一些有希望的结果。然而，也有一些缺点。富硅波导仍然存在 TPA。同时，使用多个引脚结给设备和电路增加了另一层复杂性。因此，仍然强烈需要解决该限制。

另一种方法是将高度非线性材料引入片上平台，以利用这些材料的高效特性。这种方法通过集成策略提高了它们的非线性性能。在过去的十年中，已经对多种材料进行了测试。硫属化物是硅基材料的流行替代品。在寻找破坏性非线性光学材料的过程中，二维 (2D) 层状材料已被认为是非常有前途的。这些材料的三阶磁化率比硅高两个数量级。

这一类别中最广为人知的材料是石墨烯。还有其他二维材料，例如过渡金属二硫属化物 (TMD)。MX 2晶体，其中M 代表金属原子，X 代表硫族元素。BP也越来越受到关注。混合集成背后的原理是将高性能二维材料整合到现有的集成平台中，从而提高波导的整体有效非线性性能。

由于二维材料仍未被完全理解，混合集成方法带来了一些挑战。需要谨慎处理它们对集成结构的影响。该评论介绍了该领域的最新进展和团队的观点。他们简要介绍了不同集成光学平台的二维材料混合集成的理论背景。目的是描述从建模和设计到表征步骤的关键步骤。这有望成为相关领域未来工作的指南，从而解决集成非线性光子学遇到的障碍之一。