Light | 基于混合氧化硒化钨/石墨烯电极的近无损二维半导体相位调制器

近日，来自新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院的Jia Xu Brian Sia和Sang Hoon Chae团队，针对传统光相位调制器“调制效率-光学损耗”不可兼得的核心瓶颈，提出了一种基于氧化硒化钨/石墨烯（TOS/Gr）混合透明电极的解决方案，成功实现了近无损的二维半导体相位调制器。其核心性能指标包括：1、调制效率：0.202 V·cm（半波电压-长度乘积Vπ·L），较传统ITO电极提升3倍；2、消光比变化：0.08 dB（全偏压范围），仅为纯石墨烯电极的1%；3、电光折射响应比：|Δn|/|Δk|=389，远高于现有二维材料调制器。

该器件在硅氮化物（SiN）微环平台上集成了“WS2活性层+hBN介质层+TOS/Gr电极”的异质结构，既解决了石墨烯在电信（Telecom）波段的高吸收问题，又保留了二维材料的高效电光调制能力，为节能光通信、光子计算、量子网络等领域提供了关键器件基础。本工作是二维材料光子学领域的重要突破，为下一代低功耗、高密度集成光子芯片的发展指明了方向。

该研究成果以“Hybrid tungsten oxyselenide/graphene electrodes for near-lossless 2D semiconductor phase modulators”为题发表于《Light: Science & Applications》。论文通讯作者为Jia Xu Brian Sia和Sang Hoon Chae，论文第一作者为Shi Guo，Sung-Gyu Lee和Xiangxin Gong。

研究背景

1、硅光子学的产业需求：硅光子学是实现“光-电”集成芯片的核心技术，可满足高速数据通信、先进信息处理对带宽和功耗的严苛要求。其中，电光相位调制器是硅光子芯片的核心组件，负责将电信号转换为光相位信号，其性能直接决定芯片的传输效率和能耗。

2、传统调制器的技术瓶颈：传统调制器依赖掺杂硅、锗、III-V族半导体等材料，存在三大固有缺陷：①高光学损耗：掺杂硅的电信波段损耗约0.5 dB/cm，锗基调制器插入损耗>3 dB；②低调制效率：硅基调制器Vπ·L通常>1 V·cm，功耗>100 fJ/bit；③大器件尺寸：受限于材料电光系数，调制长度需达到毫米级，难以高密度集成。

3、二维材料的潜力与困境：二维材料因原子级厚度、强电光效应成为下一代调制器的候选材料，但存在矛盾：①石墨烯：电光调制带宽>30 GHz，但电信波段（1550 nm）光吸收率高达2.3%，导致插入损耗>5 dB；②单层过渡金属二硫化物（TMDs）：如WS₂，带隙~2 eV，在电信波段透明（吸收率<0.1%），但需顶电极实现垂直电场调控，传统电极（ITO、金属网格）会引入>2 dB的寄生吸收。

因此，开发低损耗、高导电性的透明顶电极成为二维材料调制器实用化的核心挑战。

研究目标

本研究的核心目标是突破传统调制器“损耗-效率”的权衡困境，具体分为三个层次：

1、材料层面：开发一种可使石墨烯在电信波段近透明的掺杂技术，同时保持其高导电性；

2、器件层面：构建“二维材料-硅光子”兼容的异质结构，实现相位调制效率与光学损耗的双重优化；

3、性能层面：实现Vπ·L<0.25 V·cm、消光比变化<0.1 dB的近无损调制，性能超越现有所有二维材料调制器。

关键科学问题

1、石墨烯的“透明-导电”协同调控：如何通过电荷转移掺杂使石墨烯在电信波段实现Pauli阻塞，同时保持高导电性？解决方案：利用TOS的高功函数实现石墨烯的简并p型掺杂，费米能级下移至价带内0.5 eV，完全阻断1550 nm光子的带间跃迁。

2、二维材料与硅光子平台的高效集成：如何避免异质结构制备中的界面缺陷、应力问题，确保电光调制的稳定性？解决方案：采用干法转移技术制备异质结构，结合100 nm SiO₂包层缓解应力，器件Q值保持>10⁴；

3、相位调制中的“损耗抑制”机制：如何实现仅由活性层（WS₂）贡献相位调制，而电极无寄生吸收？解决方案：TOS/Gr电极在全偏压范围内保持透明，Δkeff<1×10⁻⁵，调制信号完全来自WS₂的折射率变化。

主要研究内容 

图1系统展示了氧化硒化钨/石墨烯（TOS/Gr）混合电极在硅氮化物（SiN）波导上的近红外低吸收特性，为近无损相位调制奠定核心基础。图1a上半部分是SiN波导的扫描电子显微镜（SEM）图像，清晰呈现350 nm厚、1 μm宽的波导截面结构；下半部分是模拟的横向电场（TE）模式分布，电场主要限制在波导内部，倏逝场延伸至波导上方，为与上层二维材料的电光相互作用提供了物理条件。图1b是集成TOS/Gr异质结构的微环谐振器示意图，侧视图展示了SiN波导、SiO₂包层、TOS/Gr堆叠的垂直结构，顶视图标注了微环与波导的耦合方式，近红外光（NIR）通过波导与微环实现共振传输。图1c的能带图揭示了TOS对石墨烯的掺杂机制：TOS的功函数（5.6 eV）远高于石墨烯（4.6 eV），驱动电子从石墨烯转移至TOS，使石墨烯发生重p型掺杂，费米能级下移至价带内，满足Pauli阻塞条件，从而抑制1550 nm波段的光吸收。图1d的模拟传输光谱对比了三种结构：裸SiN微环、集成纯石墨烯的微环、集成TOS/Gr的微环，结果显示纯石墨烯引入了显著的插入损耗，而TOS/Gr微环的传输曲线与裸SiN几乎重合，仅存在相位偏移。图1e的实验结果完全验证了模拟结论，TOS/Gr微环的传输强度与裸SiN一致，证明该混合电极在电信波段实现了近无损传输，彻底解决了石墨烯固有的高吸收问题。

图1. TOS/石墨烯混合电极的低吸收特性验证

图2通过光学与电学手段，全面验证了WSe₂向TOS的转化过程，以及TOS对石墨烯的重p型掺杂效果。图2a的拉曼（Raman）光谱显示，单层WSe₂经UV臭氧氧化后，其特征振动峰E₂g（250 cm⁻¹）和A₁g（255 cm⁻¹）完全消失，证明WSe₂已完全转化为TOS；插图的光学图像展示了包含单层和双层区域的WSe₂薄片，为后续氧化效果的空间分辨表征提供了样品基础。图2b的光致发光（PL）光谱进一步证实了氧化效果：单层WSe₂区域的PL峰在氧化后完全淬灭，而双层WSe₂区域的PL峰反而增强，插图的空间分辨PL mapping直观显示，单层区域已完全氧化，双层区域仅表层氧化。图2c对比了原始（pristine）石墨烯与TOS/Gr的Raman光谱，TOS/Gr的2D峰与G峰强度比（I₂D/IG）从原始石墨烯的3降至1，且2D峰蓝移16 cm⁻¹，这是重p型掺杂的典型特征，对应空穴密度约2×10¹³ cm⁻²，费米能级下移约500 meV。图2d的面电阻随栅压变化曲线显示，原始石墨烯的电荷中性点（CNP）位于-2.7 V左右，而TOS/Gr的CNP偏移至测量范围之外，进一步证明TOS对石墨烯实现了稳定的重p型掺杂，同时面电阻保持在较低水平，确保电极具备良好的导电性。

图2.  TOS的形成与石墨烯掺杂效果表征

图3对比了ITO、纯石墨烯和TOS/Gr三种电极的相位调制行为，突出TOS/Gr电极在“相位调制-光学损耗”平衡上的突破性优势。图3a是完整调制器的结构示意图，从下到上依次为SiN微环、100 nm SiO₂包层、单层WS₂活性层、20 nm hBN介质层、TOS/Gr混合电极；右侧的光学图像展示了实际器件的微环与波导结构，验证了器件的可制造性。图3b下半部分是偏压配置示意图，通过独立金属电极分别对底层WS₂和顶层TOS/Gr施加电压，实现对WS₂载流子密度的垂直调控；上半部分说明了微环的共振状态机制：当材料吸收变化时，微环会在临界耦合、欠耦合与过耦合之间切换，导致消光比出现明显波动。图3c-e是三种电极的传输光谱随偏压变化的伪彩图：图3c的ITO电极器件中，传输峰的强度与波长随偏压同步变化，说明存在显著的吸收损耗；图3d的纯石墨烯电极器件中，相位调制效果明显，但传输峰强度随偏压剧烈波动，消光比变化达7.4 dB；图3e的TOS/Gr电极器件中，传输峰的波长随偏压线性偏移，实现了高效相位调制，同时传输峰强度几乎不变，消光比变化仅0.08 dB，成功实现了“纯相位调制”，彻底打破了传统电极“调制效率-光学损耗”的固有权衡。

图3.  弱（量子）相干态的经典-量子转变

图4从量化角度解析了TOS/Gr电极下WS₂的电光响应特性，揭示了近无损调制的物理本质。图4a的消光比随偏压变化曲线显示，TOS/Gr电极的消光比变化仅为0.08 dB，远低于纯石墨烯电极的7.4 dB和ITO电极的2.1 dB，证明在全偏压范围内，TOS/Gr电极几乎不引入额外光学损耗。图4b的有效折射率实部（Δneff）和虚部（Δkeff）随偏压变化曲线显示，三种电极的Δneff均随偏压线性变化，说明WS₂的载流子密度被有效调制；而TOS/Gr电极的Δkeff始终趋近于零，纯石墨烯电极的Δkeff随偏压显著上升，ITO电极的Δkeff有小幅波动，这表明TOS/Gr电极在调制过程中无吸收损耗，相位调制完全来自WS₂的折射率变化。图4c进一步提取了WS₂的本征复折射率变化：Δn随载流子密度线性变化，最大调制幅度达-3.4×10⁻³ RIU，而Δk始终可忽略不计，证明WS₂在电信波段具有纯电光折射响应。图4d的|Δn|/|Δk|比值随载流子密度变化曲线显示，该比值最高达到389，远高于现有二维材料调制器的报道值，说明WS₂的电光折射响应远强于电光吸收响应，是实现近无损相位调制的理想活性材料。

图4.  WS₂的电光响应量化分析

图5通过与已报道电光调制器的性能对标，凸显了本研究TOS/Gr电极调制器的突破性地位。图中横坐标为半波电压-长度乘积（Vπ·L），代表调制效率，数值越小表示调制效率越高；纵坐标为消光比变化，代表调制过程中的光学损耗，数值越小表示损耗越低。本研究的TOS/Gr-WS₂调制器位于图的左下角，其Vπ·L为0.202 V·cm，消光比变化为0.08 dB，同时实现了目前最高的调制效率和最低的光学损耗。相比之下，传统ITO电极调制器的Vπ·L为0.629 V·cm，消光比变化为2.1 dB；纯石墨烯电极调制器的Vπ·L为0.220 V·cm，但消光比变化高达7.4 dB；离子液体 栅控调制器虽然损耗较低，但调制效率远低于本器件。这一对比清晰表明，TOS/Gr电极调制器成功突破了“调制效率-光学损耗”的固有瓶颈，为下一代低功耗、高密度集成光子器件提供了最优解决方案，在节能光通信、光子计算、量子网络等领域具有广阔的应用前景。

图4.  与现有调制器的性能对比

主要创新点 

1、材料创新：近透明石墨烯电极的首次实现。通过TOS掺杂使石墨烯在1550 nm波段吸收率从2.3%降至<0.05%，同时保持面电阻<200 Ω/sq，解决了石墨烯在光子学应用中的“吸收瓶颈”，是二维材料电极技术的里程碑突破。

2、性能创新：“无损-高效”调制的双重突破。①调制效率：Vπ·L=0.202 V·cm，较ITO电极（0.629 V·cm）提升308%，较纯石墨烯电极（0.220 V·cm）提升8.6%；②损耗控制：全偏压范围消光比变化仅0.08 dB，是纯石墨烯电极（7.4 dB）的1.08%，ITO电极（2.1 dB）的3.8%；③电光品质因子：WS2的|Δn|/|Δk|=389，是现有报道值（~100）的3.9倍，证明其“纯相位调制”特性。

3、集成创新：CMOS兼容的二维材料-硅光子平台。器件完全基于CMOS兼容工艺制备，SiN波导可与硅工艺无缝集成，二维材料异质结构的干法转移技术可扩展至8英寸晶圆，为大规模量产奠定基础。

总结展望

1、总结：

本研究通过TOS掺杂石墨烯的创新策略，成功解决了传统相位调制器“调制效率-光学损耗”的核心权衡问题，实现了近无损、高效率的二维半导体相位调制器。核心成果包括：①开发了一种可使石墨烯在电信波段近透明的掺杂技术，吸收率降至<0.05%；②构建了“WS2/hBN/TOS/Gr/SiN”异质结构调制器，Vπ·L=0.202 V·cm，消光比变化0.08 dB；③验证了二维材料与硅光子平台的高效集成方案，兼容CMOS工艺。该成果不仅在性能上超越了现有所有二维材料调制器，更重要的是为二维材料在光子学领域的实用化提供了可行路径。

2、展望：

1）性能提升：①采用高k介质（如HfO2、Al2O3）替代hBN，可将调制效率进一步提升至0.1 V·cm以下；②优化微环结构（如提高Q值至10⁵），降低器件功耗至<10 fJ/bit。

2）应用拓展：①节能光通信：可使数据中心光模块功耗降低50%以上，传输速率提升至100 Gbps/通道；②光子计算：作为光神经网络的核心调制单元，实现低延迟、高并行度的光信号处理；③量子网络：近无损特性可大幅提升量子纠缠光子的传输效率，构建容错量子通信网络。

3）技术延伸：①拓展至其他二维材料体系（如黑磷、MXene），开发多波段（可见光、中红外）调制器；②与硅基电子器件集成，实现“光-电-算”一体化芯片。

论文信息

Guo, S., Lee, SG., Gong, X. et al. Hybrid tungsten oxyselenide/graphene electrodes for near-lossless 2D semiconductor phase modulators. Light Sci Appl 15, 42 (2026).

https://doi.org/10.1038/s41377-025-02058-8