撰稿|由课题组供稿
2024年3月14日，上海交通大学物理与天文学院陈险峰教授和陈玉萍教授团队在国际学术期刊APL Photonics上发表前沿观点综述论文“Hybrid material integration for active photonic applications” 。该前沿观点综述论文系统性地对集成光子学中的材料、集成技术以及耦合技术进行了总结，介绍了通过混合集成实现有源光子器件的最新进展，包括混合集成激光、混合集成光频梳、混合集成调制器等。文章展示了混合集成技术可以实现“1+1 > 2”的优势和潜力，以及未来发展所面临的挑战等。上海交通大学博士研究生陈承渝和陈玉萍教授为论文的共同第一作者，陈玉萍教授担任通讯作者，陈险峰教授担任总指导，上海交通大学为论文第一完成单位。该文章还被APL Photonics选为Featured Articles之一，展示在APL Photonics的首页。
图1：混合材料集成助力有源光子技术
图2：APL Photonics首页文章：混合材料集成助力有源光子技术
近年来，现代信息技术的迅速发展，极大地推动了微纳制造技术的进步。这不仅为传统集成电子技术的发展铺平了道路，也促进了现代集成光子技术的繁荣，特别是硅光子技术。然而，硅光子集成平台在有源器件上的局限性，促使人们越来越多地关注到多材料集成平台（如表1所示），旨在突破传统单一材料系统的限制。基于多种材料，如氮化硅、铌酸锂、III-V族材料等的片上有源光子器件在过去的数年内得到了非常充分的开发。
表1：常见集成光学材料的物理参数
经过近十年来集成光子材料技术蓬勃发展，许多基于单一材料平台的集成光子学技术都已经逐渐趋于成熟化，完成了“从0到1”的基础过程。同时还有一些新颖的材料如稀土离子掺杂材料、2维材料、量子点材料等的开发利用，丰富了片上光电子器件的应用潜力。基于此，许多研究者们开始“从1到∞”的探索，即多材料集成技术：混合集成与异质集成技术。
图3：混合集成技术与异质集成技术
混合集成和异质集成被视为实现多材料集成的两个主要选项。如上图3所示，混合集成技术主要依靠单一材料体系的微纳加工技术，强调利用现有成熟技术以最小的迁移成本来实现多材料集成。异质集成则需要是面向多材料体系结合的复杂加工技术，相较而言具有更高的技术门槛和成本。文章认为混合集成技术是近未来更加现实的技术，可以最大程度地利用现有的技术积累成果。
目前混合集成面临一些挑战，例如混合技术探索所涉及的定制化的工艺成本相对高昂，多种材料结合过程中所面临的热膨胀系数差异、结合稳定性、结合后所带来的高光学损耗等问题还需要开发出更多的学术领域内的解决方案和工艺服务供应的商业化探索。除此以外，混合集成技术涉及了更多的多学科交叉，这需要基础科学和工程技术等多个领域的研究人员开展更深入更广泛的合作。此外,建立完善的工艺设计套件(PDK)和光子组装设计套件(ADK)也是推动混合集成技术发展的重要举措。尽管困难重重,但混合集成技术蕴含的巨大机遇值得为之努力。
图4：混合集成光子芯片展望
这项工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划和上海交通大学前瞻项目的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1063/5.0187924
