图：二维材料混合集成的概念表示。下面列出了最常见的2D材料及其与波导结构集成的带隙。插入光谱显示了典型脉冲加宽实验的输入（红色）光谱和输出加宽光谱（蓝色用于本征波导，绿色用于2D材料集成波导）。图片来源：Vincent Pelgrin, Yoon Hoon Hahn, Eric Cassan, and Zhipei Sun

       最近，非线性光学函数在集成光学中的引入引起了极大的热情。演示显示了集成光子平台的潜力。此外，大规模制造能力和可负担性推动了完全集成的非线性光学器件的发展，目标是各种应用，例如所有片上光谱，片上量子计算和通信，数据通信的高效多路复用，片上计量，生物传感或激光雷达。

       在Light: Advanced Manufacturing上发表的一篇论文中，由Vincent Pelgrin教授和Zhipei Sun教授领导的研究小组回顾了混合光子集成结构的发展。

       将这些不同的有源函数集成到硅光子学中已经引起了人们的广泛关注。与CMOS工艺的可能兼容性以及平台的整体低成本使其对业界非常有吸引力，其器件直接适用于密集光学电路制造。

       这些深度集成功能使si兼容平台成为一个有趣的测试平台。考虑到非线性光学过程的开发，硅光子学存在一些障碍。主要是最常见的材料与工艺或自由载流子的存在相兼容的弱非线性响应。

       硅在c波段是高度非线性的，但由于其低带隙而具有双光子吸收(TPA)。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。SiN的非线性折射率(n2)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、频率梳状源和自发四波混频的光子对源。在某些领域，已经推动了更高效的设备，显示出高性能和低功耗。

       已经证明了损耗水平为几dB/m的退火SiN波导，但所需的泵浦功率仍然很大。为了实现足够的非线性过程，需要长波导，从而使光学功能要求完全集成的器件。

       另外，诸如富硅波导之类的材料或使用p-i-n结来设计载流子密度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p-i-n结增加了设备和电路的另一层复杂性。因此，对这一限制的解决方案的需求仍然很强。

       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。该方法通过集成策略提高了系统的非线性性能。在过去的十年中，已经测试了几种材料。

       硫族化合物是硅基材料的一种流行替代品。在寻找破坏非线性光学材料的过程中，二维(2-D)层状材料被认为是非常有前途的。这些材料具有比硅高两个数量级的三阶磁化率。

       这类材料中最广为人知的是石墨烯。然而，其他二维材料，如过渡金属二硫化物(TMDs)。在MX2晶体中，M代表金属原子，X代表硫原子。混合集成背后的原理是将高性能二维材料集成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研究，混合集成方法面临着一些挑战。它们对综合结构的影响需要谨慎处理。

       这篇综述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。目的是描述关键步骤，从建模和设计到表征步骤。这有望为今后相关领域的工作提供指导，从而解决集成非线性光子学遇到的障碍。

1. Vincent Pelgrin et al, Hybrid integration of 2D materials for on-chip nonlinear photonics, Light: Advanced Manufacturing (2023). DOI: 10.37188/lam.2023.014

来源： Chinese Academy of Sciences