Team opdager en ny måde at kontrollere lysets fase ved hjælp af 2D-materialer

Optisk manipulation på nanoskala, eller nanofotonik, er blevet et kritisk forskningsområde, som forskere søger måder at imødekomme den stadigt stigende efterspørgsel efter informationsbehandling og kommunikation. Evnen til at styre og manipulere lys på nanometerskalaen vil føre til mange applikationer, herunder datakommunikation, billeddannelse, spænder, sansning, spektroskopi, og kvante- og neurale kredsløb (tænk LIDAR-lysregistrering og rækkevidde-for selvkørende biler og hurtigere video-on-demand, for eksempel).

I dag, silicium er blevet den foretrukne integrerede fotonikplatform på grund af dets gennemsigtighed ved telekommunikationsbølgelængder, evne til elektro-optisk og termo-optisk modulering, og dets kompatibilitet med eksisterende halvlederfremstillingsteknikker. Men, mens siliciumnanofotonik har gjort store fremskridt inden for optisk datakommunikation, fasede arrays, LIDAR, og kvante- og neurale kredsløb, der er to store bekymringer for storstilet integration af fotonik i disse systemer:deres stadigt voksende behov for skalering af optisk båndbredde og deres høje elektriske strømforbrug.

Eksisterende bulk silicium fase modulatorer kan ændre fasen af ​​et optisk signal, men denne proces kommer på bekostning af enten højt optisk tab (elektro-optisk modulering) eller højt elektrisk strømforbrug (termo-optisk modulering). Et team fra Columbia University, ledet af Michal Lipson, Eugene Higgins professor i elektroteknik og professor i anvendt fysik ved Columbia Engineering, annonceret, at de har opdaget en ny måde at kontrollere lysets fase ved hjælp af 2-D materialer - atomisk tynde materialer, 0,8 nanometer, eller 1/100, 000 på størrelse med et menneskehår - uden at ændre dets amplitude, ved ekstremt lavt elektrisk effekttab.

I denne nye undersøgelse, offentliggjort i dag af Naturfotonik , forskerne demonstrerede, at ved blot at placere det tynde materiale oven på passive siliciumbølgeledere, de kunne ændre lysets fase lige så kraftigt som eksisterende siliciumfasemodulatorer, men med meget lavere optisk tab og strømforbrug.

"Fasemodulation i optisk sammenhængende kommunikation har været en udfordring at skalere, på grund af det høje optiske tab, der var forbundet med faseændring, " siger Lipson. "Nu har vi fundet et materiale, der kun kan ændre fasen, giver os endnu en mulighed for at udvide båndbredden af ​​optiske teknologier."

De optiske egenskaber af halvleder 2-D materialer såsom overgangsmetal dichalcogenider (TMD'er) er kendt for at ændre sig dramatisk med free-carrier injektion (doping) nær deres excitoniske resonanser (absorption toppe). Imidlertid, meget lidt er kendt om effekten af ​​doping på de optiske egenskaber af TMD'er ved telekombølgelængder, langt væk fra disse excitoniske resonanser, hvor materialet er gennemsigtigt og derfor kan udnyttes i fotoniske kredsløb.

Columbia-holdet, som inkluderede James Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik ved Columbia Engineering, og Dimitri Basov, professor i fysik ved universitetet, undersøgte TMD'ens elektro-optiske respons ved at integrere halvledermonolaget oven på en optisk kavitet af siliciumnitrid med lavt tab og doping af monolaget ved hjælp af en ionisk væske. De observerede en stor faseændring med doping, mens det optiske tab ændrede sig minimalt i transmissionsreaktionen af ​​ringkaviteten. De viste, at den doping-inducerede faseændring i forhold til ændring i absorption for monolag TMD'er er cirka 125, hvilket er væsentligt højere end det, der observeres i materialer, der almindeligvis anvendes til fotoniske siliciummodulatorer, herunder Si og III-V på Si, samtidig med at det er et ubetydeligt indføringstab.

"Vi er de første til at observere en kraftig elektrobrydningsændring i disse tynde monolag, "siger papirets hovedforfatter Ipshita Datta, en ph.d. elev hos Lipson. "Vi viste ren optisk fasemodulation ved at bruge en siliciumnitrid (SiN)-TMD sammensat bølgelederplatform med lavt tab, hvor den optiske tilstand af bølgelederen interagerer med monolaget. Så nu, ved blot at placere disse enkeltlag på siliciumbølgeledere, vi kan ændre fasen i samme størrelsesorden, men ved 10000 gange lavere elektrisk effekttab. Dette er ekstremt opmuntrende for skaleringen af ​​fotoniske kredsløb og for laveffekt LIDAR."

Forskerne fortsætter med at undersøge og bedre forstå den underliggende fysiske mekanisme for den stærke elektrorefraktive effekt. De udnytter i øjeblikket deres fasemodulatorer med lavt tab og laveffekt til at erstatte traditionelle faseskiftere, og reducerer derfor det elektriske strømforbrug i store applikationer såsom optiske fasede arrays, og neurale og kvantekredsløb.