团队发现使用2-D材料控制光相位的新方法

随着研究人员寻求方法来满足对信息处理和通信的不断增长的需求，在纳米级或纳米光子学上的光学操纵已成为一个关键的研究领域。控制和操纵纳米级光的能力将导致许多应用，包括数据通信，成像，测距，传感，光谱学以及量子和神经电路(想想LIDAR(用于自动驾驶汽车的光检测和测距)和更快的视频) (例如按需)。

如今，由于硅在电信波长下的透明性，电光和热光调制的能力以及与现有半导体制造技术的兼容性，硅已成为首选的集成光子平台。但是，尽管硅纳米光子学在光数据通信，相控阵，激光雷达以及量子和神经电路领域取得了长足进步，但将光子大规模集成到这些系统中仍存在两个主要问题：对电子系统的不断增长的需求缩放光带宽及其高功耗。

现有的体硅相位调制器可以改变光信号的相位，但是此过程是以高光损耗(电光调制)或高功耗(热光调制)为代价的。由哥伦比亚大学工程学系教授尤金·希金斯(Eugene Higgins)和哥伦比亚工程学院应用物理学教授米哈尔·利普森(Michal Lipson)领导的哥伦比亚大学团队宣布，他们发现了一种使用二维材料控制光相位的新方法-原子薄材料0.8纳米，即人发的1 / 100,000，在不改变其振幅的情况下，功耗极低。

在今天由Nature Photonics发布的这项新研究中，研究人员证明，只需将薄材料放在无源硅波导的顶部，它们就可以像现有的硅相位调制器一样强烈地改变光的相位，但光损耗和光损耗低得多。能量消耗。

基于集成微环谐振器的低损耗光腔的图示，波导顶部有半导体2D材料。致谢：Lipson Nanophotonics Group / Columbia Engineering的Ipshita Datta和Aseema Mohanty

利普森说：“由于与相变有关的高光损耗，光相干通信中的相位调制仍然是规模挑战。” “现在，我们发现了一种只能改变相位的材料，这为我们提供了另一条扩展光学技术带宽的途径。”

众所周知，随着自由载流子注入(掺杂)在其激子共振(吸收峰)附近，半导体2-D材料(例如过渡金属二硫化氢(TMD))的光学特性会发生巨大变化。但是，关于掺杂对电信波长处TMD光学特性的影响知之甚少，远离这些激子谐振，在激子谐振中材料是透明的，因此可以在光子电路中利用。

哥伦比亚团队的成员包括James Hone，哥伦比亚工程学院机械工程学教授王凤仁和大学物理学教授Dimitri Basov，他们通过将半导体单分子层集成在TMD的顶部来探究TMD的电光响应。低损耗氮化硅光学腔，并使用离子液体掺杂单层。他们观察到了掺杂引起的大相位变化，而光损耗在环形腔的传输响应中变化最小。他们表明掺杂引起的相变相对于单层TMD吸收变化的相对值大约为125，这大大高于通常用于硅光子调制器(包括Si和Si上的III-V)的材料所观察到的值，同时还伴有可忽略的插入损耗。

该论文的第一作者，博士Ipshita Datta说：“我们是第一个在这些薄单层中观察到强烈的电折射变化的人。” Lipson的学生。“我们利用低损耗的氮化硅(SiN)-TMD复合波导平台展示了纯光相位调制，该平台的波导的光学模式与单层相互作用。因此，现在，只需将这些单层放置在硅波导上，我们就可以改变相位相差一个数量级，但功耗降低了10000倍。这对于光子电路的规模缩小和低功率激光雷达来说是极为令人鼓舞的。”

研究人员正在继续探索并更好地理解强电折射作用的潜在物理机制。他们目前正在利用其低损耗和低功率的相位调制器来替代传统的移相器，从而降低了诸如光相控阵以及神经和量子电路等大规模应用中的电能消耗。

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