导读

近日，来自纽约大学阿布扎比分校电子与计算机工程系的Mahmoud Rasras教授团队在Light: Science & Applications上发表了题为 “Electro-Optic Tuning in Composite Silicon Photonics Based on Ferroionic 2D Materials”的高水平文章。纽约大学阿布扎比分校的Ghada Dushaq博士为本文的第一作者及通讯作者，Mahmoud Rasras教授为本文的通讯作者。此外，纽约大学坦登工程学院也对本文做出了贡献。Mahmoud Rasras教授团队提出了一种基于铁离子二维材料的新型电光调制技术，在近红外波段主动操控了硅光子微环谐振器上集成的多层CuCrP₂S₆的电光响应，可以将有效折射率精准调节在2.8×10^-3 RIU（折射率单位）量级，同时具有低的光学损耗和0.25 V cm的出色调制效率。

研究背景

随着现代通信网络、光学传感组件和先进成像系统的不断发展，精确、高效的光调制可调谐光学材料的设计也显得尤为重要。二维(2D)材料已经成为产生可调谐光学组件的优秀材料，为精确和有效地光操纵提供了无数可能性。这一特性是由于光和物质之间的强烈相互作用，导致它们的光学性质随着外部刺激(如电场)而发生显著变化。已有的研究中报道了各种技术来调节2D材料的光学特性。例如，当集成到光子电路中时，通过在过渡金属二卤化物(TMD)中运用静电门控技术可以对可见光和短波红外（SWIR）区域的光进行调制。然而，在它们的激子共振频率附近，这些材料会同时表现出折射率（Δn）和吸收率（Δk）的调制，从而为实现纯相位调制带来了内在挑战。近期，基于在短波红外波段中集成的WS₂和MoS₂（远离它们的激子共振），研究人员已经实现了短波红外波段的纯相位调制，在信号传输过程中，其具有高的|Δn/Δk|比以及最小的损耗。然而，这种基于电容配置来促进WS₂的静电掺杂的相位调制器也带来了新的挑战，主要是源于光刻工艺的复杂性和精确对准要求。这种对准对于确保有效的静电掺杂至关重要，因为它涉及到WS₂相对于电极和其他结构元件的仔细定位，这对于稳定的器件性能至关重要。此外，其他方法，如在硅基器件中使用等离子体色散效应会引起强度随相移的变化；热光方法也受限于需要有效散热和保持温度稳定性而面临着重大挑战。因此，发现并制备具有独特调制特性的新材料，以在紧凑的结构内控制短波红外区的Δn/Δk是非常必要的。

最近，人们对二维铁离子化合物的兴趣显著增加，主要是因为它们的显著特性，如1.3-3.5 eV的中等带隙以及杰出的离子电导率等。值得注意的是，范德华硫代磷酸盐和硒磷酸盐，如CuInP₂S₆和CuCrP₂S₆(CCPS结构)已被用作二维或准二维设计的电子器件的有源介质。这些材料的整体电子属性很大程度上受其离子电导率的影响，可以通过控制极化时间、极化和电流方向等因素进行有效控制，所有这些因素都与高流动性铜离子的迁移有关。尽管铜离子在晶格中具有良好的电化学活性，并且可以很容易地结合到各种底物中，但目前的研究主要集中在它们在存储应用和神经形态计算方面的记忆性质。然而，通过结合其离子属性，CuCrP₂S₆提供了一种新的途径来解决在实现集成光子学中的纯光学相位调制方面的挑战，同时实现高效和多功能的光操控。

图1. CCPS分子结构的侧视图（球棒模型）。（a）侧视图（bc面）（b）铜和铬在CCPS结构中占据位置的3D表示。

图2. CCPS的结构特征。（a）TEM图像以及SADP，红色虚线六边形被突出显示以引导眼睛进入结构。（b）使用偏振532 nm激光收集的拉曼光谱。（c）CCPS的定量EDX图谱。

创新研究

可调谐光学材料是现代光电子学中不可缺少的元件，特别是在集成光电子电路中，对有效折射率的精确控制对于各种应用是必不可少的。过渡金属二卤化物(TMD)和石墨烯等二维材料对外界刺激表现出显著的光学响应。然而，在短波红外(SWIR)区域实现独特的调制，同时在紧凑结构内实现低信号损耗的精确相位控制仍然是一个持续的挑战。

在这项研究中，Mahmoud Rasras教授团队揭示了多层铁离子二维CuCrP₂S₆(CCPS)结构在近红外波段的强电折射响应。研究人员提出了一种基于CCPS结构的新型光调制器件，该器件通过将CCPS集成到硅光子（SIPH）微环谐振器（MRR）上来增强光与物质的相互作用，同时还提高了对微小相位和吸收变化的测量灵敏度。

图3. 硅基光子与CCPS集成的示意性结构图。（a）器件的横截面，显示了具有集成CCPS的Si 微环谐振器的设计参数。（b）3D和横截面。

图4. CCPS集成器件的光学性质。（a）从高分辨率光谱椭圆偏振法导出的吸收系数的直接和间接跃迁曲线（b）裸硅波导和硅上65 nm CCPS在1310 nm波长处的TE和TM模式的电场分布。

图5. 无源光学测量。（a）以裸硅MRR为参考，在半径为45 μm、CCPS厚度为~67 nm的Si/CCPS混合MRR中测量TE模式的透射光谱（b）有和没有CCPS的MRR共振图像，显示共振倾角的FWHM变化，虚线为洛伦兹拟合曲线，实线为实验透射光谱。

研究结果表明，在保持消光比和共振线宽不变的情况下，电驱动铜离子可以将有效折射率精准调节在2.8×10^-3 RIU(折射率单位)量级。这种可调的导电性源于金属-半导体界面上铜离子的可逆积累或去除，从而调节肖特基势垒（Schottky Barrier）的高度。在未包层的MRR上包含CCPS导致了强烈的光-物质相互作用和2.7 dB/cm的低光学损耗，这一数值低于钛酸钡器件，与铌酸锂器件相当。同时，器件还表现出低的光学损耗和0.25 V cm的出色调制效率，在所有器件中谐振波长具有一致的蓝移。这些结果优于早期关于基于TMD的移相器的研究结果。此外，当比较横电(TE)和横磁(TM)模式时电光调谐对CCPS的光偏振对准表现出敏感性，这揭示了偏振相关的响应，为光操纵中的不同应用铺平了道路。可以预见的是，CCPS器件的光电和离子电子结合能力在多个领域提供了广泛的机会，在相控阵、光学开关、环境传感和计量、光学成像系统以及光敏人工突触的神经系统领域中具有巨大的潜力。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

图6. 混合CCPS/Si-MRR的电光测试。（a）在施加电场的情况下铜在CCPS/Si异质结构中的重新分布。（b）不同输入光功率下的MRR的透射光谱。（c）随着轮询时间的推移，在7 V的恒定电压下的MRR的透射光谱；（d）在E=1x10⁴ V/cm时有效折射率的变化。

图7.（a）TE模式（b）TM模式的MRR在6 V的恒定电压下的电光响应，以及显示两种极化的电场分量方向的图形表示。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01432-2