来源：中国激光杂志社

导读

经过多年积累，光子集成电路成为激光雷达、人工智能、数据中心、高性能计算等领域不可或缺的重要组成部分。光子集成电路技术与微电子技术的有效结合是推动信息产业发展的重要引擎，成为解决现代信息社会通信容量瓶颈问题的关键技术，而高品质光学材料以及先进集成方式是推动其发展的重要基础。

中山大学研究团队重点围绕硫系材料异质集成光子器件展开论述，对硫系玻璃和其他材料（铌酸锂、掺铒氧化铝）构成的异质集成器件在声光调制、非线性频率转换和稀土离子掺杂有源放大三个方面的应用进行了综述。该文发表于《光学学报》“信息光子器件与集成”专题（第44卷第15期），并被选为亮点文章。

文章链接：宋景翠, 杨志强, 尚海燕, 万磊, 李焱, 吕超, 李朝晖. 硫系异质集成光子器件（特邀）[J]. 光学学报, 2024, 44(15): 1513005.

1、研究背景

集成电路技术作为信息通信行业的基础，过去几十年以来在信息获取、信息传输、信息存储以及信息处理等方面发挥着重要作用，极大地改善了人们的生活方式与工作模式。随着集成电路特征尺寸逐渐达到物理极限，摩尔定律发展速度逐步放缓，晶体管的发展速度无法匹配当今算力的增长速度，集成电路的瓶颈逐渐显现，因此，探索新型融合方式和封装工艺成为行业的关注热点。光电子集成技术应运而生，为该难题提供了有效的解决方案。

光电子集成技术的发展离不开各种功能材料的支撑。早期用于制备光电子集成器件的材料主要包括硅和氧化硅。近年来，还涌现出了多种光电材料，包括氮化硅、铌酸锂、氮化铝、碳化硅、氧化铝、硫系玻璃等，为光电子芯片的发展注入了新的活力。其中，硫系材料可以在多种衬底上沉积成膜，并且与其他光子集成材料平台兼容性较高。因此，近年来硫系材料在相变薄膜激光直写、非线性集成光学、微波光子学等领域发挥了重要价值。

值得一提的是，目前没有一种材料能够同时满足光信号产生、传输、调制、探测等全链条的功能需求，因此研究人员普遍认为异质集成或者混合集成是解决当前光电子集成器件困境的可靠方案。

2、硫系异质集成片上器件研究

2.1片上声光调制器

片上声光调制技术研究伴随着片上光子学技术的蓬勃发展而出现。铌酸锂智能切片以及键合技术的问世使片上声光调制器件的研究进入了快车道。2019年，人们首次实现了在500 nm厚的薄膜铌酸锂上集成叉指换能器、声子腔和低损耗光子波导等器件从而实现声光调制。

硫系材料-铌酸锂混合集成的声光调制器可以更好地利用铌酸锂优异的压电特性和硫系材料突出的弹光特性，实现片上声光调制效率的最优化。在该团队提出的Ge₂₅Sb₁₀S₆₅-LN异质的微环谐振器中，在声波作用下微环的输出功率被成功调制，其声光调制效率是已报道的非悬浮结构实现的最高效率。

基于硫系材料-铌酸锂混合集成平台，再结合新型高效的光子波导和声子谐振腔结构，必将在声光调制领域展现出更大的优势，是未来最有潜力实现声光调制芯片商业化的技术路径之一。

图1 基于硫系-铌酸锂混合集成平台的微环声光调制器[图片来自Optics Letters, 47(15): 3808-3811(2022)]2.2 片上非线性参量频率转换

二阶非线性效应是许多经典光学和量子光学应用的基石，芯片层面实现高效χ⁽²⁾过程不仅丰富了光子集成电路的功能，而且功耗低，引起了人们的极大兴趣。迄今为止，已经有各种材料平台被用于实现芯片层面的二阶非线性作用，包括本征χ⁽²⁾非线性效应材料，如铌酸锂、部分Ⅲ-Ⅴ材料以及需要外部诱导χ⁽²⁾非线性的硅和氮化硅等。

为提高转换效率，研究人员提出了通过色散设计实现模式相位匹配、腔增强型二次谐波（SHG）、超表面结构辅助方法以及自适应方法校正等方法。此外，连续体束缚态与模式相位匹配相结合的无刻蚀策略也被提出，但由于器件损耗较大，且基于连续体束缚态原理只能在某些离散波长上实现低损耗传输，该策略不适用于宽带参量频率转换应用。

基于硫系-铌酸锂异质集成材料波导平台，也可以实现高效的二阶非线性光学参量过程。通过进一步引入高品质因子微环谐振器，有望进一步提高转换效率，为开发基于χ⁽²⁾的各种芯片级功能器件带来巨大前景。

异质集成方案的提出填补了硫系薄膜中二阶非线性效应的缺失，有助于丰富硫系光子集成电路的功能。此外硫系材料独特的光折变特性还可用于制备可调二阶非线性器件，未来微腔克尔非线性频率梳和高效SHG自参考有望结合，以实现光学频率合成和光学原子钟的单片共集成。

图2 硫系-铌酸锂异质集成波导结构应用于高效参量频率转换[图片来自Laser & Photonics Reviews, 2301128(2024)]。（a）波导截面示意图；（b）有效折射率在通信波段和可见光波段随波长的变化关系

2.3 片上光波导放大器

掺铒光纤放大器与波分复用技术的结合极大提高了通信容量与速率，是光通信历史上的里程碑事件。近年来随着大规模光子集成器件的提出与升级，已经有多种材料被用做稀土掺杂光波导放大器的主体材料，包括氧化铝、铌酸锂、氮化硅、氧化镓、磷酸盐等。

硫系材料近年来被广泛应用于片上超声成像、微腔克尔光频梳、拉曼激光等，但是上述报道的输出功率都比较微弱，因此探索硫系平台高效光放大势在必行。尽管如此，硫系材料本身的稀土离子溶解度仍然较低、稀土离子的配体环境和发光机制十分复杂，且部分组分材料体系的光诱导损耗不可忽略，导致其直接掺杂光波导实现的增益效果差强人意。

该团队在高有效掺杂浓度Er³⁺:Al₂O₃薄膜的辅助下实现了新型高效片上波导放大器，避免了共热或共溅射方法直接掺杂硫系薄膜带来的稀土离子掺杂浓度低、发光效率差、波导刻蚀难度大的问题，证明了异质集成方案实现高增益片上光波导放大器的可行性，彰显了硫系光子平台的制备灵活性与功能多样性，为硫系平台单片集成信号处理器的实现提供了借鉴。

图3 硫系-掺铒氧化铝异质集成光波导放大器结构[图片来自Laser & Photonics Reviews, 2300893(2023)]。（a）1480 nm泵浦光作用下对应的铒离子能级结构示意图；（b）Er³⁺: Al₂O₃-GeSbS波导截面示意图以及1480 nm和1533 nm波长对应的TE模式分布；（c）螺旋线波导结构示意图

3、未来展望

硫系材料在光子集成电路中具有巨大潜力与应用价值，然而，硫系材料异质集成的进一步发展仍面临诸多挑战。未来，还需要在理论基础和制备工艺等方面进行完善，以解决硫系异质集成光电器件在封装、集成化等方面的问题，使其满足可编程器件、光计算、微波光子学和量子光学等关键领域的重大战略需求，从根本上推动其在更多场景的创新应用。

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