Towards Scalable Photonics circuits: A Unified Platform Integrating 2D Perovskites, Metasurfaces, and Waveguides

Projektbeschreibung

Polaritonenbasierte Plattform für integrierte Photoniktechnologien

Bei photonischen Schaltungen, die für Zukunftstechnologien wie Hochgeschwindigkeitskommunikation und Quanteninformationsverarbeitung unverzichtbar sind, gilt es Herausforderungen, etwa die Unfähigkeit von Silizium, Licht zu emittieren, und die Abhängigkeit von externen Lichtquellen, zu meistern. Auch bei auf zweidimensionalem Perowskit basierenden Bauelementen sind Probleme mit hohen optischen Verlusten und mangelnder Gleichmäßigkeit zu verzeichnen. Das Team des innerhalb der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützten Projekts 2DP-METAWAVE entwickelt eine polaritonenbasierte Photonikplattform, die aus einer Kombination aus zweidimensionalem Perowskit mit Siliziumnitridwellenleitern und Metasurfaces beruht. Es werden Polaritonen mit geringem Energieverbrauch für eine effiziente Lichtemission erzeugt und eine verlustarme Ausbreitung mithilfe ausgerichteter Arrays aus zweidimensionalem Perowskit realisiert. Die Integration mit Metasurfaces mit hohem Q-Faktor wird eine kompakte Lichtsteuerung ermöglichen. Das Projektteam wird zudem die schnelle Modulation der Polaritonenemission für logische Operationen demonstrieren und rekonfigurierbare, energieeffiziente photonische Schaltungen entwickeln, um integrierte Photoniktechnologien zu optimieren.

Ziel

Photonic circuits-chips that use light instead of electricity are essential for future technologies in high-speed communication, quantum information, and neuromorphic computing. But current platforms face critical challenges: silicon’s inability to emit light, reliance on bulky external sources, and the complexity of integrating III-V emitters. Moreover, existing two-dimensional perovskite (2DP)-based devices use polycrystalline films or randomly oriented flakes, leading to high optical losses, poor uniformity, and limited integration with waveguides.
2DP-METAWAVE introduces a polariton-enabled photonic platform that combines the strong light–matter interaction of 2DPs with the scalability of silicon nitride (Si₃N₄) waveguides and the versatility of metasurfaces. Exciton-photon coupling in 2DPs generates polaritons for efficient, low-power light emission, which is then coupled into low-loss Si₃N₄ waveguides for on-chip routing.
We will fabricate wafer-scale arrays of highly aligned single-crystal 2DPs using Capillary-Bridge Lithography, achieving low-loss polariton propagation (<5 dB/cm). To fully exploit the optical quality of these aligned 2DP crystals, we will integrate them with metasurfaces that enable ultra-high-Q resonances through bound states in the continuum (BICs), providing strong field confinement and efficient light control in a compact, planar architecture. Metasurface-enabled components such as high-efficiency inverse-designed couplers and high-Q resonant structures (Q >10⁵) will ensure compact, chip-scale integration. We will demonstrate fast modulation of waveguide-coupled polariton emission at room temperature, enabling logic operations with extinction ratios ≥10 dB and sub-10 ns switching. By merging precision fabrication, resonant metasurface design, and dynamic signal control, 2DP-METAWAVE will deliver a new class of reconfigurable, energy-efficient photonic circuits, bridging a critical gap toward scalable integrated photonic technologies.