硅基光电子与二维材料的混合集成结构在光通信纳米系统中的应用

在下一代超级计算机和大数据时代的推动下，硅基光电子以其紧凑尺寸、小功耗和超密集带宽，成为解决快速增长的大数据传输需求的领先技术。特别是，硅基光电子将以越来越小的规模渗透到光通信链路中，即芯片到芯片和片上。然而，具有间接带隙的硅并不是片上光源的理想材料，它们通常需要具有直接带隙的光学材料。得益于石墨烯、过渡金属硫化物和其他二维材料的出现，这些材料具有独特的能带结构、超薄厚度、超大载流子迁移率和宽光谱强吸收，以及增强的光-物质相互作用，其与硅基光子学集成有助于提高硅光子器件的性能和进一步缩小尺寸来满足摩尔定律，并为构建功能齐全、高度集成的光子通信系统提供了一个强大的异构平台。近些年来，越来越多的工作成功报道并制备了基于二维材料与硅基纳米结构的片上激光器、调制器、探测器等。

国防科技大学江天研究员团队针对这一问题，对硅基光电子-二维材料异质结构的最新进展及其在片上光通信系统中的应用进行了全面地综述。首先，简要介绍了二维材料和主动器件的基本机制。其次，讨论了硅基光电子-二维材料异质结构用于片上光通信系统的关键模块，包括激光器、光调制器、开关、滤波器、光电探测器和集成光子电路。最后，提出了该异质结构在高速光通信、中红外波段通信、全光处理网络、集成量子光学等领域的未来展望，并阐述了当前面临的主要挑战。值得注意的是，由于具有大的光限制和低的传播损耗，硅纳米结构可以完美地实现无源器件，如波导，多路复用器和光耦合器，这将不在本文中讨论。然而，诸如光源之类的有源器件通常需要具有直接带隙的光学材料以实现高效率和超快工作速度，这阻碍了硅纳米结构在高功能发光和吸光器件中的应用。理想的解决方案之一就是与二维材料集成，因其具有强光与物质作用、大响应带宽、与CMOS铸造工艺高度兼容性，以及无晶格失配现象。明确上述问题对于片上光通信器件和系统的发展具有十分重要的意义，同时也有望在微波光子学、量子计算、神经形态计算计量学、光学传感、成像、、非线性光学等领域取得更广阔的应用。

       上述工作发表在Laser & Photonics Reviews上（DOI: 10.1002/lpor.202000239）,通讯作者为国防科技大学江天研究员，第一作者是军事科学院国防科技创新研究院助理研究员尤洁。