超薄2D材料控制光相位新方法,厚度仅头发丝十万分之一功耗极低

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图片来历:Ipshita Datta and Aseema Mohanty, Lipson Nanophotonics Group/Columbia Engineering

跟着信息处理和通讯需求的不断增加,纳米光学操作已经成为一个重要的研讨范畴。在纳米尺度上操控和操作光的才能将会带来很多的运用,包含数据通讯、成像、测距、传感、光谱学、量子和神经电路(例如,自动驾驶轿车的激光勘探和测距以及更快的视频点播)。

现在,由于硅在电信波长上的通明性、电光和热光调制的才能以及与现有半导体制作技能的兼容性,它已经成为首选的集成光子学渠道。虽然硅纳米光子学在光数据通讯、相控阵、激光雷达以及量子和神经电路范畴取得了长足进步,但将光子大规模集成到这些体系中仍存在两个首要问题:对电子体系不断增加的光带宽及其高功耗的需求。

现有的硅体相位调制器能够改动光信号的相位,但这一进程的价值是高的光损耗(电光调制)或高的电能耗费(热光调制)。哥伦比亚大学团队,由尤金·希金斯电气工程教授和哥伦比亚大学的运用物理学教授米甲·利普森宣告,发现了一种运用二维资料操控光相位的新方法-原子级薄资料,仅0.8纳米,即头发丝的1/100,000,在不改动其振幅的情况下,功耗极低。

在2月24日宣布在《天然光子学》杂志上的一项新研讨中,研讨人员证明,只需将薄资料放在无源硅波导的顶部,它们就能够像现有的硅相位调制器相同激烈地改动光的相位,但光损耗和功耗损耗低得多。

“由于与相位改动相关的高光学损耗,光学相干通讯中的相位调制仍然是一个很大的应战,”利普森说,“现在咱们发现了一种只能改动相位的资料,这为咱们扩展光学技能的带宽供给了另一种途径。”

半导体二维资料,如过渡金属双卤族化合物(TMDs),其光学性质跟着其激子共振峰(吸收峰)邻近的自在载流子注入(掺杂)而发作显着改动。但是,在远离这些激子共振的电信波利益,掺杂对TMDs光学性质的影响知之甚少,由于在这些激子共振处,资料是通明的,因而能够在光子电路中运用。

哥伦比亚团队的成员包含哥伦比亚工程学院机械工程学教授James Hone和大学物理学教授Dimitri Basov,他们经过集成半导体单层的低损耗氮化硅光学腔和掺杂的单层运用离子液体来探求TMD的电光呼应。他们调查到了掺杂引起的大相位改动,而光损耗在环形腔的传输呼应中改动最小。他们标明,相关于单层TMD吸收改动,掺杂引起的相变约为125,这显着高于一般用于硅光子调制器(包含Si和Si上的III-V)的资料中调查到的相变,一起随同的插入损耗可忽略不计。

“咱们是榜首批在这些薄单分子层中调查到强电折射改动的人。”论文的首要作者Ipshita Datta说,他是利普森的博士生。“咱们运用低损耗氮化硅(SiN)-TMD复合波导渠道完成了纯光相位调制,波导的光形式与单层相互作用。所以现在,只需简略地把这些单分子膜放在硅波导上,咱们就能够改动相同数量级的相位,但降低了10000倍的电力损耗。这关于光子电路和低功率激光雷达的标度是十分鼓舞人心的。”

研讨人员正在持续探究和更好地了解强电折射效应的潜在物理机制。现在正运用他们的低损耗和低功率相位调制器来替代传统的移相器,从而在大规模运用中削减电力耗费,如光学相控阵、神经和量子电路。

原文来历:https://phys.org/news/2020-02-team-phase-d-materials.html