复旦大学科研团队研发基于全无机钙钛矿的多功能集成光子器件

 

随着后摩尔时代信息技术的发展，高效的有源片上集成光子器件得益于其超快的传输速率、极低的能耗、强力的抗干扰能力以及丰富的调制手段，对推进未来信息处理与计算科学领域的突破具有至关重要的意义。近年研究发现，卤素钙钛矿作为一种直接带隙半导体材料，具有优异的光电性能，并且经过图案化工艺后表现出非凡的激光和波导特性。因此为实现集成光子芯片提供了一种新的材料平台。

近日，复旦大学微电子学院器件工艺团队通过化学气相沉积法生长出高质量的铯铅溴（CsPbBr3）单晶钙钛矿薄膜，利用聚焦离子束刻蚀技术在单晶薄膜上精确地刻出不同形状和尺寸的微纳结构，由此制备的微米线激光器展现出高度相干的光子型激射，其激射阈值为48.7 μJ/cm2，品质因子高达2460。

在此基础上，研究团队进一步制备出多种多功能的集成光子器件，其中包括波导耦合器、Y型分束器、X型耦合器和马赫-曾德尔干涉仪等，可应用于实现光子芯片上的信号生成、传输、分离和调制等功能。由此基于钙钛矿半导体的集成光子器件展示了单晶薄膜作为光源和操作元件的潜力，为未来的集成光子芯片提供了一种新的材料系统和制备方法。同时，这些光子器件还可以与其他功能元件结合，实现更复杂的光信号处理和逻辑运算，为未来的集成光子学和量子信息技术的发展开辟了新方向。

图1. CsPbBr3微米线激光器（标度尺：3 μm），激射阈值48.7 μJ/cm2，品质因子2460。

图2：集成光子器件从左至右：Y型分束器，X型耦合器，马赫-曾德尔干涉仪（标度尺：5 μm）.

相关成果以“Inorganic Perovskite-Based Active Multifunctional Integrated Photonic Devices”为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications|(2024)15:1536）。复旦大学微电子学院教授季力、青年研究员胡申、教授孙清清为共同通讯作者，信息科学与工程学院副研究员王俊为合作通讯作者，微电子学院博士生韩琦为第一作者。

本研究得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、上海市科委启明星计划的支持。

审核编辑：刘清