Optisk manipulation i nanoskala, eller nanofotonik, har blivit ett kritiskt forskningsområde, som forskare söker sätt att möta den ständigt ökande efterfrågan på informationsbehandling och kommunikation. Möjligheten att styra och manipulera ljus på nanometerskalan kommer att leda till många applikationer, inklusive datakommunikation, bildbehandling, sträcker sig, avkänning, spektroskopi, och kvant- och neurala kretsar (tänk LIDAR-ljusdetektering och intervall-för självkörande bilar och snabbare video-on-demand, till exempel).

I dag, kisel har blivit den föredragna integrerade fotonikplattformen på grund av dess transparens vid telekommunikationsvåglängder, förmåga till elektro-optisk och termo-optisk modulering, och dess kompatibilitet med befintliga halvledartillverkningstekniker. Men, medan kisel nanofoton har gjort stora framsteg inom optisk datakommunikation, fasade matriser, LIDAR, och kvant- och neurala kretsar, Det finns två stora bekymmer för storskalig integration av fotonik i dessa system:deras ständigt växande behov av skalning av optisk bandbredd och deras höga elförbrukning.

Befintliga kiselfasmodulatorer i bulk kan ändra fasen för en optisk signal, men denna process kommer på bekostnad av antingen hög optisk förlust (elektrooptisk modulering) eller hög elektrisk strömförbrukning (termooptisk modulering). Ett team från Columbia University, ledd av Michal Lipson, Eugene Higgins professor i elektroteknik och professor i tillämpad fysik vid Columbia Engineering, tillkännagav att de har upptäckt ett nytt sätt att styra ljusfasen med hjälp av 2-D-material-atomiskt tunna material, 0,8 nanometer, eller 1/100, 000 storleken på ett människohår - utan att ändra dess amplitud, vid extremt låg elektrisk strömavledning.

I denna nya studie, publicerad idag av Nature Photonics , forskarna visade att genom att helt enkelt placera det tunna materialet ovanpå passiva kiselvågledare, de kan ändra ljusfasen lika starkt som befintliga kiselfasmodulatorer, men med mycket lägre optisk förlust och strömförbrukning.

"Fasmodulering i optisk koherent kommunikation har varit en utmaning att skala, på grund av den höga optiska förlusten som var förknippad med fasändring, "säger Lipson." Nu har vi hittat ett material som bara kan ändra fasen, att ge oss en annan väg att utöka bandbredden för optisk teknik. "

De optiska egenskaperna hos halvledarmaterial 2-D-material, såsom övergångsmetalldykalkogenider (TMD), är kända för att förändras dramatiskt med fritt bärarinjektion (dopning) nära deras excitoniska resonanser (absorptionstoppar). Dock, mycket lite är känt om dopningens effekt på TMD:s optiska egenskaper vid telekomvåglängder, långt bort från dessa excitoniska resonanser, där materialet är transparent och därför kan utnyttjas i fotoniska kretsar.

Columbia -laget, som inkluderade James Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik vid Columbia Engineering, och Dimitri Basov, professor i fysik vid universitetet, undersökte det elektrooptiska svaret för TMD genom att integrera halvledarmonoskiktet ovanpå en optisk kavitet med låg förlust av kiselnitrid och dopa monoskiktet med en jonisk vätska. De observerade en stor fasförändring med dopning, medan den optiska förlusten förändrades minimalt i ringhålighetens överföringssvar. De visade att den dopningsinducerade fasförändringen i förhållande till förändringen i absorption för monoskikt TMD är cirka 125, vilket är betydligt högre än det som observerats i material som vanligtvis används för fotoniska kiselmodulatorer inklusive Si och III-V på Si, samtidigt som de åtföljs samtidigt av försumbar förlust av insättning.

"Vi är de första som observerar kraftiga elektrobrytningsförändringar i dessa tunna monoskikt, "säger tidningens huvudförfattare Ipshita Datta, en doktorsexamen student med Lipson. "Vi visade ren optisk fasmodulering genom att använda en kiselnitrid (SiN) -TMD-kompositvågledarplattform med låg förlust där vågledarens optiska läge interagerar med monoskiktet. Så nu, genom att helt enkelt placera dessa monoskikt på kiselvågledare, vi kan ändra fasen med samma storleksordning, men vid 10000 gånger lägre elektrisk strömavledning. Detta är extremt uppmuntrande för skalning av fotoniska kretsar och för LIDAR med låg effekt. "

Forskarna fortsätter att undersöka och bättre förstå den bakomliggande fysiska mekanismen för den starka elektrorefraktiva effekten. De utnyttjar för närvarande sina fasmodulatorer med låg förlust och låg effekt för att ersätta traditionella fasskiftare, och därför minska den elektriska strömförbrukningen i storskaliga applikationer, såsom optiska fasade matriser, och neurala och kvantkretsar.