【摘 要】
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硅基光子集成芯片凭借其低成本、高折射率对比度和与成熟的互补金属氧化物半导体工艺兼容等优点,成为目前光互连技术的热门选择之一。然而由于硅材料本身的限制,光子集成回路中很多关键的光子器件很难仅依靠硅实现。引入其它具有优秀光电特性的材料如金属、锗和二维材料等,成为解决这一问题的主要手段。过渡金属碳化物或氮化物（MXene）是一类新兴的二维材料,具有诸多优秀的光电特性,如强可饱和吸收、高电导率、非平坦宽谱
【基金项目】
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国家重点研发计划的资助（No.2019YFB1803801）
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硅基光子集成芯片凭借其低成本、高折射率对比度和与成熟的互补金属氧化物半导体工艺兼容等优点,成为目前光互连技术的热门选择之一。然而由于硅材料本身的限制,光子集成回路中很多关键的光子器件很难仅依靠硅实现。引入其它具有优秀光电特性的材料如金属、锗和二维材料等,成为解决这一问题的主要手段。过渡金属碳化物或氮化物（MXene）是一类新兴的二维材料,具有诸多优秀的光电特性,如强可饱和吸收、高电导率、非平坦宽谱光吸收率、高光热转换效率以及功函可调性等,使其非常适合于光学领域的应用。同时,具有水溶性的特点使其能够通过喷涂和旋涂等简单的工艺进行大规模转移。因此,将硅基光学平台与MXene相结合实现高性能的光子器件具有广阔的发展前景。然而,目前关于MXene的研究大多停留于理论和计算阶段,实验性的报道很少,尤其是在硅基光子学领域。另一方面,将MXene材料精确转移到微纳光子器件上具有很大的难度。本文选取了MXene中最具有代表性的Ti3C2TX材料,用于硅基光学平台中关键光子器件的研究。开发了一套完善的工艺方法进行MXene材料的精确转移,实现了集成化的多波长传感器、光辅助调谐的微环调制器以及波导肖特基探测器。本论文的具体研究内容可以概括为以下几个方面:（1）研究了马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder interferometer,MZI）和微环两种基本的光子器件结构及热相移原理,分析了理想肖特基结模型,为后续器件设计提供了理论支撑。详细介绍了器件的制作及测试方法,重点提出了一套将MXene精确转移到硅基光子器件的工艺方法。（2）研究并实现了MXene在光学传感领域的应用。利用MXene的非平坦宽谱光响应的特点,结合片上MZI结构,设计并制作了一种片上的多波长传感器。实验测试该器件在980 nm和1540 nm泵浦波长下的调谐效率分别为0.19π?m W-1?mm-1和0.12π?m W-1?mm-1,响应时间为23.4μs。与已报道的其它二维材料相比,该器件在效率上领先一个数量级,同时在响应时间上领先两个数量级。（3）研究并实现了MXene在全光开关领域的应用。通过利用MXene的高光热转换效率,设计并制作了一种光辅助调谐的硅基微环调制器。区别于传统的电调和热调,该器件是通过控制泵浦光的功率大小,实现了微环谐振峰的大范围调谐。最后演示了在高速调制信号注入下,利用光调谐对波长偏移进行补偿,从而保证了信号的最佳传输。（4）研究并实现了MXene在光电探测领域的应用。通过将MXene转移到p型掺杂硅波导上形成肖特基结,利用内光发射效应及功函可调性,设计并制作了一种势垒可调的硅波导集成式肖特基探测器。实验中采用热退火处理改变MXene的功函,进而对肖特基势垒进行调节。测试得到MXene的功函改变了0.23 e V,肖特基势垒改变了0.08 e V;并通过响应度实验测试得到该器件在C波段下的响应度变化了一个数量级。
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