嘉善复旦研究院与复旦大学科研团队研发出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，卤素全无机钙钛矿材料以其出色的光电特性和可调谐的带隙而备受关注，尤其是在太阳能电池、LED和激光器等领域显示了巨大的应用潜力。

近日，嘉善复旦研究院与复旦大学科研团队研发出基于全无机钙钛矿的多功能集成光子器件，相关成果以“Inorganic Perovskite-Based Active Multifunctional Integrated Photonic Devices/全无机钙钛矿多功能集成光子器件”为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。本研究通过精确控制材料的微结构和光学特性，成功集成了多种光子功能组件，如微激光器、光波导、调制器和探测器，为实现高度集成的光子电路和芯片提供了新的可能性。

嘉善复旦研究院特聘专家、复旦大学微电子学院教师季力教授，胡申青年研究员，孙清清教授为共同通讯作者，复旦大学信息科学与工程学院王俊副研究员为合作通讯作者，复旦大学微电子学院博士生韩琦第一作者。

研究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。

该研究不仅展示了无机钙钛矿在传统光电子器件中的应用，诸如光子芯片上的信号生成、传输、分离和调制等功能，还展示了单晶薄膜作为光源和操作元件在半导体集成光子器件中的潜力，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的方向，包括新型光子计算、量子通信和传感技术等。

科研团队表示，这项研究的成功归功于跨学科合作和先进的制造技术，未来将继续探索无机钙钛矿材料的新功能和应用，以期在光子学和光电子学领域取得更多创新性成果。

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）

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45565-9

供稿人：季力

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