Si和SiN在集成光子学领域应用日益成熟，但单一材料平台无法满足光子集成电路日益多样化的需求，且缺乏电光（EO）调制、磁光（MO）隔离、激光和宽谱探测等功能。通过将功能材料异质集成到已建立的光子平台中，可获得必要的光学功能。然而，传统异质外延受严格晶格匹配和工艺兼容限制，在不同光学基底上生长的异质外延材料质量严重受阻，晶格失配导致缺陷和性能退化。晶圆键合、离子切片等技术虽已实现铌酸锂、钽酸锂等集成，但仍面临离子注入损伤、工艺复杂、衬底残留等问题。光子范德华（vdW）集成利用剥离的自由站立单晶纳米膜，在晶格匹配母衬底上生长后物理转移至任意光学衬底，绕开晶格匹配约束，保持高质量单晶，并像二维材料一样构建三维异质结构。该策略可组合多种不同材料平台的优势功能，为多功能、高性能异质集成光子电路和系统提供通用、灵活的新路径。
二、【创新成果】
基于此，美国圣路易斯华盛顿大学杨兰教授与Sang-Hoon Bae助理教授联合，在Nature上发表了题为“Heterogeneous photonic integration of single-crystalline nanomembranes”的论文，报道提出并验证了一个通用的光子vdW集成框架，利用光子vdW集成将所需功能注入到Si和SiN光子学中，构建高性能异质集成光子器件。研究人员通过外延剥离和二维材料辅助层转移技术制备了电光材料钛酸钡（BTO）、磁光材料钴铁氧体（CFO）和钇铁石榴石（YIG）、以及III-V族半导体GaAs和GaN等多种功能纳米膜，并将其集成到Si、SiN等成熟光子平台上。研究展示了超高效电光调制器（Pockels系数r42 > 1,290 pm V-1，3-dB带宽 > 23 GHz）、超紧凑非互易磁光隔离器（Faraday旋转系数θF≈ 33,800° cm⁻¹）、紫外到近红外的宽谱光电探测器，以及同时实现电光与磁光调制的多功能环形谐振器。本研究将vdW异质结构从二维拓展到三维，为异质集成光电子应用建立了通用平台。
三、【图文解析】
图1 用于光子vdW集成的单晶功能纳米膜 © 2026 Springer Nature
图2 基于单晶a轴畴BTO的vdW集成到Si光子学的高效EO调制 © 2026 Springer Nature
图3 通过III-V族半导体vdW集成到SiN光子学扩展片上光电探测范围 © 2026 Springer Nature
图4 通过CFO vdW集成实现高效片上光隔离与多功能电磁耦合 © 2026 Springer Nature
图5 vdW集成光子器件的性能基准 © 2026 Springer Nature
四、【科学启迪】
综上，本研究建立了通用光子vdW集成平台，将不同晶体结构、不同功能的单晶纳米膜集成到成熟Si/SiN光子平台，避免传统异质外延的晶格匹配与缺陷问题。实验实现BTO超高效电光调制、CFO强磁光隔离、GaAs/GaN宽谱光电探测以及CFO/BTO垂直异质多功能微环，界面清洁、损耗低、可晶圆级扩展，并将vdW异质结构从二维推广到三维，极大丰富了可集成的功能材料库。此外，本研究为在成熟光子平台上“按需注入”各种光学功能提供了通用、可扩展的路线，其开发晶圆级BTO转移验证了规模化应用潜力。本研究展示了用于同时进行电光和磁光调制的多功能环形谐振器，为先进的异质集成光电子应用等带来了新机遇。
原文详情：Heterogeneous photonic integration of single-crystalline nanomembranes (Nature 2026, 657, 638-645)
本文由大兵哥供稿。
