二维磁光材料新纪元！NYUAD论文展示CCPS如何解决硅基光子芯片热耗散难题
前言摘要
近日，国际顶级光学期刊《Light: Science & Applications》（影响因子极高）发表了一项重要研究成果。来自纽约大学阿布扎比分校（NYU Abu Dhabi）和纽约大学坦登工程学院（NYU Tandon） 的联合研究团队，由Ghada Dushaq博士和Mahmoud Rasras教授领导，在集成硅光子学领域取得重大突破。他们成功将一种新型二维多铁性材料(CCPS)集成到硅微环谐振器中，实现了性能优异的光学非互易器件（核心是光学隔离器），为解决光芯片中“背向反射”这一长期难题提供了高效、紧凑的解决方案。
核心内容
1. 材料创新：研究团队采用二维过渡金属硫族化合物CCPS，其独特的铁磁性和易平面磁晶各向异性在磁场作用下产生非互易光学响应。
2. 器件设计：通过将CCPS薄片（厚度39-62nm，长度22-55μm）集成到硅光子谐振器中，利用磁光效应打破光传播的对称性，在1550nm波长下实现28dB的高隔离比和0.15-1.8dB的低插入损耗。
3. 性能优势：器件支持50GHz光学带宽（共振波长分裂0.4nm），且在TE偏振模式下工作，无需额外偏振管理组件，显著提升了集成效率和系统兼容性。
图1 光子结构中的非互易相移（NRPS）
a 沃伊特构型（Voigt configuration），展示了光在磁光介质中沿z方向传播时的波数（k_z）。
b 非互易磁光波导示意图（上图，b1）：显示前向与后向传播的TE偏振光具有非简并的有效折射率。下图（b2）展示了一个非互易磁光谐振器，其中顺时针与逆时针TE光模式的谐振频率呈现非简并特性。在波导中，k⁺和k⁻分别代表两个反向传播模式的波数。
c 集成磁光材料的环形谐振器透射光谱，展示了在静态磁场下共振波长分裂（Δλ）的现象。
图2 器件设计与CCPS/硅光子集成
a 集成CCPS的硅微环谐振器（MRR）三维结构示意图
b 横截面图展示设计与制备参数
c 异质集成结构的彩色伪衬度透射电子显微镜（TEM）横截面图像，其中包含CCPS的选区衍射花样（SADP）；红色虚线方框标示硅波导与CCPS的界面，C代表保护碳层
d 原子力显微镜（AFM）扫描图像，黄色虚线标示CCPS厚度约46纳米
（c）和（d）图的标尺分别为0.2微米、10纳米⁻¹和0.5微米
图3 混合Si/CCPS微环谐振器的被动光学特性
a 不同输入光功率下微环谐振器（MRR）在1500-1600nm波段的透射光谱
b 共振峰细节图，展示了CCPS集成MRR中光传播产生的极小热耗散效应
c 无外加磁场时，前向（CW）与后向（CCW）光传播的共振峰位置变化
d 1550nm处TE模式的电场强度分布图：上图为裸硅波导，下图为覆盖平均厚度约67nm非均匀CCPS层的硅波导
图4 直流（DC）磁场下的主动失谐（非互易性测量）
a TE模式的透射光谱：在固定光传播方向的同时反转磁场方向进行记录，展示了非互易性共振偏移现象
b 共振波长分裂（RWS）：定义为Δλ=λCW−λCCW，展示了厚度约45nm、相互作用长度38μm的器件在不同外加磁场强度下的分裂情况
图5 Si/CCPS混合器件的偏振依赖特性表征
a 集成CCPS/Si器件的示意图：磁场方向垂直于光传播方向施加
b TE模式的归一化透射光谱：在0mT和40mT磁场强度下的对比，展示了明显的共振偏移现象
c TM模式的归一化透射光谱：在0mT和40mT磁场强度下的对比，峰值位置未发生偏移，证明器件对磁场不敏感（y轴数值已放大2倍以提升数据可见性）
(b)和(c)图插图中展示了混合CCPS/Si器件中的电场分布情况，其方向与磁场方向保持一致
图6 混合CCPS/Si微环谐振器（MRR）的磁光相位偏移（ΔΦ）特性
a TE模式透射光谱：在输入激光功率恒定为10dBm（从左侧固定方向注入）的条件下，磁场强度从0变化至55mT时的光谱演变
b TE模式透射光谱：在50mT稳态磁场条件下，输入激光功率从0调节至8dBm（从左侧注入）时的光谱响应
图7 非互易混合CCPS/Si-MRR器件性能表征
a 实测非互易相移（Δβ）随波长变化曲线
b 磁光（MO）材料集成环形谐振器研究对比分析（聚焦C波段附近）：重点考察隔离度、插入损耗及磁光材料集成长度三项核心指标。本研究采用最高55mT外加磁场。需特别说明：图中空心星形符号代表环形谐振器结构，实心星形符号表示马赫-曾德尔干涉仪（MZI）结构
研究意义
该研究解决了传统磁光器件（如钇铁石榴石YIG）在硅基集成中面临的晶格失配、热兼容性差及体积庞大等问题，为片上非互易光子器件提供了更紧凑、高效且可扩展的解决方案。其低损耗、高隔离比及宽带特性尤其适用于光通信、量子计算及激光系统中的背向反射抑制，有望推动下一代光互连技术的革新。
结语
纽约大学团队利用二维材料CCPS的神奇特性，在硅基光芯片上打造出了性能卓越的“光学交通灯”。这项突破不仅解决了集成光子学中长期存在的隔离器难题，更打开了利用丰富二维材料库构建下一代多功能、高性能光芯片的大门。随着研究的深入和工艺的成熟，我们有望在不久的将来看到这种技术应用于数据中心、5G/6G光前传、量子计算机等前沿领域，为信息技术的飞跃提供强劲的光动力。
Doi：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01826-w
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