Small Science:二维材料在集成光学应用的研究进展

以石墨烯、黑磷、TMD等为代表的二维材料,由于其具有宽频谱吸收,二阶、三阶非线性效应,超快的载流子迁移率,较大地激子结合能、良好的机械柔韧性等物理性能而被广泛用于构建新型微纳光电子器件,是集成光学有源器件的重要选择之一。基于二维材料的集成光学器件不仅具有很好的性能,在器件制备过程不受晶格匹配的制约,通过范德瓦尔斯力可以很好地和硅基、硫基材料集成,实现大规模集成器件制备。因此二维材料能为集成光学的发展带来新的机遇,在中红外光电子、柔性光电子、微波光子、太赫兹光子、量子光子等领域都具有重要应用前景。

近日,浙江大学林宏焘研究员团队、深圳大学张晗教授团队、西湖大学李兰研究员团队,应邀在Small Science上发表题为“Two-dimensional Materials for Integrated Photonics: Recent Advances and Future Challenges”的综述文章(DOI: 10.1002/smsc.202000053),西湖大学博士研究生吴江宏为本文第一作者。该综述文章全面地概述了近年来二维材料在集成光学领域取得的研究进展、展望了二维材料在集成光学领域的发展前景。该文章首先介绍了硅基、硫基波导和二维材料集成的工艺流程及相应工艺的优缺点。再系统地总结了二维材料集成光学器件(包括光源、波导集成的调制器、探测器)的研究进展:在集成光源小节中,首先介绍了发光器件的工作机理,然后详细地介绍了目前的二维增益介质、比较了常见的光学微腔的特点;在波导集成调制器小节中,首先介绍了调制器的工作机理并以此为分类准则,全面地介绍了基于二维材料的全光、电光、电吸收、热光调制器的发展和存在的问题;在波导集成探测器小节中,首先介绍了探测器的工作机理,然后从光敏材料选择和器件结构设计两方面介绍优化器件性能的方法。最后展望了二维材料在集成相变开关、磁光隔离器、单光子源等器件中的应用。本文旨在总结二维材料在集成光学领域的应用前景、并为设计高性能的二维材料/波导集成光学器件提供思路与借鉴。