Fusione di materiali 2D per la fotonica su chip

Recentemente, l’introduzione di funzioni ottiche non lineari nell’ottica integrata ha suscitato grande entusiasmo. Le dimostrazioni hanno dimostrato la possibilità di creare piattaforme ottiche integrate. Inoltre, la producibilità e l’accessibilità economica su larga scala hanno stimolato lo sviluppo di dispositivi ottici non lineari completamente integrati, in varie applicazioni, come la spettroscopia all-on-chip, il calcolo quantistico e le comunicazioni su chip, il multiplexing efficiente delle comunicazioni di dati e le comunicazioni su chip. comunicazione. . telemetria, biosensing o lidar.

In un nuovo articolo pubblicato in Luce: produzione avanzata, Un team di scienziati guidati dal professor Vincent Pellegrin e Chibi Sun ha esaminato una serie di strutture ibride di integrazione fotonica.

Anche l’integrazione di queste diverse funzionalità attive nella fotonica del silicio ha attirato molta attenzione. La potenziale compatibilità con i processi CMOS e il basso costo complessivo della piattaforma la rendono molto interessante per l’industria, con dispositivi direttamente adatti alla fabbricazione di circuiti fotonici densi. Queste profonde capacità di integrazione rendono la piattaforma compatibile con Si un interessante banco di prova per la portabilità. La fotonica del silicio presenta alcuni inconvenienti quando si considera lo sfruttamento dei processi fotonici non lineari. Si tratta principalmente delle deboli risposte non lineari dei materiali più comunemente compatibili con i processi in camera bianca o con la presenza di portatori liberi.

Il Si è altamente non lineare nella gamma della banda C ma soffre di assorbimento di due fotoni (TPA) a causa del suo basso gap di banda. Sfortunatamente, la maggior parte dei materiali classici compatibili con l’integrazione del silicio mancano di robustezza in termini di nonlinearità ottica. L’indice di rifrazione non lineare del Si N (n2) è circa due ordini di grandezza inferiore a quello del Si. L’indice di rifrazione non lineare del Si N (n2) è circa due ordini di grandezza inferiore a quello del Si.

Sono state fornite grandi dimostrazioni utilizzando diversi materiali a base di silicio per creare funzioni ottiche integrate. Questi includono sorgenti ultra-continue, pettini di frequenza e sorgenti di coppie di fotoni con miscelazione automatica a quattro bande. In alcune aree, le società si sono spinte verso dispositivi più efficienti che presentano prestazioni elevate con un basso consumo energetico. Sono state dimostrate guide d’onda SiN ricotte con livelli di perdita di pochi dB/m, ma la potenza della pompa richiesta era ancora elevata. Erano necessarie guide d’onda lunghe per ottenere operazioni sufficientemente non lineari, rendendo le funzioni ottiche richiedenti dispositivi completamente integrati.

In alternativa, materiali come le guide d’onda ricche di Si o l’uso di giunzioni a perno per progettare la densità dei portatori hanno mostrato alcuni risultati promettenti. Tuttavia, ci sono alcuni inconvenienti. Le guide d’onda ricche di Si forniscono ancora TPA. Allo stesso tempo, l’utilizzo di connessioni a più pin aggiunge un ulteriore livello di complessità a dispositivi e circuiti. Pertanto, la necessità di soluzioni a questa limitazione rimane forte.

Un altro approccio consiste nell’introdurre materiali altamente non lineari nella piattaforma su chip per sfruttare le proprietà altamente efficienti di questi materiali. Questo approccio migliora le sue prestazioni non lineari attraverso la strategia di integrazione. Molti materiali sono stati testati negli ultimi dieci anni. I calcogenuri sono un’alternativa popolare ai materiali a base di silicone. Nel tentativo di identificare materiali ottici non lineari dirompenti, i materiali stratificati bidimensionali (2D) sono stati identificati come molto promettenti. Questi materiali hanno una sensibilità terziaria fino a due ordini di grandezza superiore a quella del Si.

Il materiale più famoso in questa categoria è il grafene. Esistono ancora altri materiali 2D come i dichalcogenuri di metalli di transizione (TMD). I cristalli MX2 sono dove M sta per un atomo di metallo e X sta per un calcogeno). Anche la BP sta ricevendo una crescente attenzione. Il principio alla base dell’integrazione ibrida è quello di integrare materiali 2D ad alte prestazioni nelle piattaforme di integrazione esistenti, aumentando così le prestazioni non lineari effettive complessive delle guide d’onda.

Molte sfide derivano dall’approccio di integrazione ibrida, poiché i materiali 2D non sono ancora del tutto compresi. L’effetto della loro aggiunta a strutture integrate deve essere gestito con attenzione. La revisione presenta i recenti progressi in questo campo e le opinioni del team. Hanno presentato brevemente il background teorico dell’integrazione ibrida di materiali 2D per diverse piattaforme ottiche integrate. Lo scopo è descrivere i passaggi fondamentali, dalla modellazione e progettazione alle fasi di caratterizzazione. Ci auguriamo che ciò serva da linea guida per i lavori futuri in campi correlati, risolvendo così uno degli ostacoli che la fotonica non lineare integrata deve affrontare.