图 用于产生孤子频率梳的硅基硫系光子芯片

近年来，光子集成芯片在光信息产生、传递、处理和存储方面表现出了极其优越的性能，可为下一代数据中心、通信系统、高性能计算、自动驾驶等领域带来变革性突破。硅基光电集成芯片技术是公认的现代信息系统的功能升级和产业布局的核心技术，是世界光电子领域竞争的主阵地。目前，随着应用领域的拓展和系统规模的快速提升，硅基光电子芯片正向更大带宽、更低功耗和更高集成度的方向发展。因此，开展硅基与新型光子材料平台的混合集成技术至关重要。硫系玻璃具有超大带宽的透光窗口、高克尔非线性、高光弹系数和易于片上混合集成等特点，硫系玻璃基光子器件在光电子信息系统应用领域体现出多谱段、低阈值和多功能集成等优势。

2017年以来，中山大学电子与信息工程学院李朝晖教授、张斌副教授课题组逐步建立了贯通「光学材料-芯片加工-系统应用」的硅基硫系混合集成光子芯片的研究平台，建立满足硅基硫系光子集成芯片制备和性能需求的硫系材料基因库，开发兼容硅光微纳加工工艺的薄膜沉积工艺，开发出多谱段、低功耗和多功能集成的硅基硫系光子集成芯片和模块，实现了片上宽带可调谐拉曼激光器（Laser & Photonics Rev. 2022 16, 2100443）、超低阈值声光调制芯片（Light. Sci. & App. 2022 11, 145）、超快全光调制芯片（Nanophotonics 2020 9, 8)、超低阈值光参量振荡芯片（Photon.Res. 2021 9, 7)、新波段高速光互联芯片（Photon. Res.2020 8, 9），并实现了超高分辨光声成像系统应用（Photon. Res. 2020 8, 3）。这一系列结果验证了硅基硫系光子集成芯片在光信号处理和光互联方面具有巨大的潜力。面对硅基光电子片上系统架构正向多通道和高并行的架构演进，对低成本和高稳定性并行光源的需求日趋增长。集成微腔光频梳作为新一代多波长集成光源，在小尺寸、低功耗、低成本方面的具有显著优势，是国内外光电子领域研究热点。基于高非线性、宽透光波段的硅基硫系光子芯片在实现低功耗、大带宽集成光频梳方面具有重要潜力。

基于上述积累，张斌副教授、李朝晖教授课题组提出分子剪裁调控光子材料性能、以及芯片内色散和能量耗散协同优化等新机制，开发了新型硅基硫系玻璃光子芯片（GeSbS），制备了透光波段覆盖0.5-10μm、低热光系数、品质因子＞2×10⁶的集成微腔，为目前硅基硫系集成微环腔中的最高值；并在微环腔的两个正交的偏振态中分别实现正常色散和反常色散，在同一个微环腔中获得了暗脉冲孤子频率梳和亮孤子频率梳。而且，激发暗脉冲（带宽80 nm）和亮孤子微梳（带宽240 nm）所需的泵浦功率均低至20mW左右，与目前商品化DFB激光器输出功率兼容，有望在全集成片上系统应用和中红外波段传感探测领域发挥重要应用。

相关工作以「Integrated Chalcogenide photonics for microresonator soliton combs」为题发表于Laser & Photonics Review。该工作由中山大学为完成单位，中山大学博士生夏迪和硕士毕业生杨泽林、曾平羊为共同第一作者，张斌副教授和李朝晖教授为共同通讯作者，上海大学郭海润教授参与本工作并给予了重要帮助。该研究得到了科技部变革性技术关键科学问题重点专项 (2019YFA0706301), 科技部宽带通信和新型网络重点专项(2018YFB1801003), 国家自然科学基金 (U2001601, 61975242, 61525502, 11974234, 62035018), 广东省重大科技专项 (2019A1515010774)等项目的支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/lpor.202200219