封面 | 硅基硫系集成光子学：机遇与挑战！ 

封面解析：封面主图展示了硫系玻璃-硅基混合光子集成器件的典型结构，体现硫系玻璃材料在集成光子学领域的独特优势：可沉积于任意衬底，可实现不同组分的多层硫系玻璃材料沉积，并体现出多谱段、低阈值和多功能集成的优势。基于硫系光子集成器件实现的锁模光学频率梳，可在分子探测传感领域发挥重要作用。

《光学学报》2022年第23期封面文章 | 张斌; 李朝晖; 硫系集成光子学[J].光学学报, 2022, 42 (23):2313001.

链接: https://www.opticsjournal.net/Articles/OJ5cb121f766699851/Abstract

导读：文章梳理了硫系玻璃材料-集成光器件-系统应用之间的影响关系，介绍了超低损耗硫系集成光子器件的制备技术路线和在光信息处理领域的最新研究进展；同时结合硫系材料特点，对硫系集成光子器件在未来多功能光子集成器件及高速光信息处理应用中的机遇和挑战进行了展望。

1、研究背景

随着微纳加工技术的快速发展，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，并引领未来光通信、光计算、光测量实现新的突破。高品质的光子材料是集成光子学领域发展的重要基础，近年来，涌现了一系列新型的光子集成材料。

近年来，中山大学李朝晖教授、张斌副教授课题组针对硫系集成器件所面临的问题开展了系统研究，提出分子剪裁调控光子材料性能新机制，开发覆盖可见到中红外的多谱段、高激光损伤阈值、高速相变的硫系材料新组分，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，实现8英寸超低损耗的硅基硫系薄膜的批量稳定制备（如图1所示）。

图1 高品质硫系光子集成器件的加工路线和代表性器件展示

系统验证了硫系光子集成器件新材料的Ge₂₅Sb₁₀S₆₅的宽透光波段（0.5~10 μm波段）、高激光损伤阈值、高克尔非线性（1.4×10^-18 m²/W at 1550 nm）、高弹光系数（杨氏模量＜0.1，优于氧化硅700倍）、低热光系数（3′10^-5/k）等特性优势，解决了硅基硫系光子集成器件光激光损伤阈值低、易氧化等问题，开发参与硅光器件兼容的硅基硫系异质集成制备技术，大幅度提升硫系光子集成器件性能，实现微腔品质因子≥ 6′10⁶、长度＞30 cm波导损耗＜0.2 dB/cm，制备的大规模集成、可重构的硅基硫系光子芯片在通信系统应用中体现出新波段、高速、可重构的优势。

2、硅基硫系集成光子器件

文章综述了近年来硅基硫系集成光子器件在光信息处理芯片和系统应用方面取得的重要进展。通过梳理硫系玻璃材料-集成光器件-系统应用之间的影响关系，介绍了超低损耗硫系集成光子器件的制备技术路线和在光信息处理领域的最新研究进展。因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，硫系光子集成器件在光信息处理应用领域体现出多谱段、低阈值和多功能集成的优势。

为了展示硫系光子集成器件的优势，中山大学李朝晖教授、张斌副教授课题组在硫系集成微梳产生和调控方面做了一系列的工作。在同一个微环谐振腔中通过泵浦不同的偏振态分别获得亮孤子微梳和暗脉冲微梳（如图2所示），两种微梳的所需的泵浦功率都仅20 mW，进一步通过调控色散工程在硫系微腔中实现了克尔非线性和拉曼效应的相互作用的调控，分别实现了级联拉曼激光和宽带克尔-拉曼微梳切换输出，增加了集成微梳的输出带宽。而且，结合硫系材料在中红外波段的低光学损耗和高非线性优势，硫系光子集成器件为发展近红外到中红外的微腔光频梳技术和应用提供了重要基础。

图2 硫系集成微腔在光学频梳梳方面的结果。 (a) GeSbS 微环谐振腔的扫描电子显微图； (b) 亮孤子微梳； (c)暗脉冲微梳； (d)克尔-拉曼微梳。

3、未来展望

硫系材料容易与其他材料平台实现混合异质集成，有利于开展片上半导体激光器、调制器和集成微梳的多个功能的模块式集成光电芯片研制和应用研究。未来，研究人员还需要实现硫系薄膜的稳定批量化的制备，优化硫系光子集成器件的加工工艺，进一步降低的光学传输损耗（如：＜0.1 dB/m量级），因此，需要打通硫系材料-器件-系统应用的全链条的研究路线，开展新型硫系光子集成芯片的兼容性制备和封装工艺开发，构建超高速、多维度、低功耗的光子集成器件，开展硫系集成光子器件在高精度分子探测芯片、高速光信号处理、大容量光存储、芯片级光计算等领域的应用。

科学编辑：张斌; 李朝晖;

编辑：张浩佳