Сегодня кремний стал предпочтительной интегрированной платформой для фотоники из-за его прозрачности в телекоммуникационных длинах волн, способности к электрооптической и термооптической модуляции и его совместимости с существующими технологиями производства полупроводников. Но, хотя кремниевая нанофотоника добилась больших успехов в области оптической передачи данных, фазированных решеток, лидаров, а также квантовых и нейронных схем, есть две основные проблемы, связанные с крупномасштабной интеграцией фотоники в эти системы: их постоянно растущая потребность в масштабирование оптической полосы пропускания и их высокое потребление электроэнергии.
Существующие объемные кремниевые фазовые модуляторы могут изменять фазу оптического сигнала, но этот процесс происходит за счет либо высоких оптических потерь (электрооптическая модуляция), либо высокого потребления электроэнергии (термооптическая модуляция). Команда Колумбийского университета во главе с Михалом Липсоном, профессором электротехники Юджина Хиггинса и профессором прикладной физики в Columbia Engineering, объявила, что они открыли новый способ управления фазой света с помощью 2D-материалов – атомарно тонких материалов, ? 0.8 нанометров, или 1/100000 размера человеческого волоса – без изменения его амплитуды, при чрезвычайно низком рассеянии электроэнергии.
В этом новом исследовании, опубликованном сегодня Nature Photonics, исследователи продемонстрировали, что, просто поместив тонкий материал поверх пассивных кремниевых волноводов, они могут изменить фазу света так же сильно, как существующие кремниевые фазовые модуляторы, но с гораздо меньшими оптическими потерями и потребляемая мощность.
«Фазовая модуляция в оптической когерентной связи остается проблемой для масштабирования из-за высоких оптических потерь, связанных с изменением фазы», - говорит Липсон. "Теперь мы нашли материал, который может изменять только фазу, что дает нам еще одну возможность расширить полосу пропускания оптических технологий."
Известно, что оптические свойства полупроводниковых 2D-материалов, таких как дихалькогениды переходных металлов (TMD), резко меняются при инжекции (легировании) свободных носителей заряда вблизи их экситонных резонансов (пиков поглощения).
Однако очень мало известно о влиянии легирования на оптические свойства TMD в телекоммуникационных длинах волн, вдали от этих экситонных резонансов, где материал прозрачен и, следовательно, может использоваться в фотонных схемах.
Команда из Колумбийского университета, в которую входили Джеймс Хоун, профессор машиностроения Ван Фонг-Джен из Columbia Engineering, и Дмитрий Басов, профессор физики в университете, исследовали электрооптический отклик TMD путем интеграции полупроводникового монослоя поверх полупроводникового монослоя. оптический резонатор из нитрида кремния с низкими потерями и легирование монослоя ионной жидкостью.
Они наблюдали большое изменение фазы при легировании, в то время как оптические потери изменились минимально в характеристике пропускания кольцевого резонатора. Они показали, что изменение фазы, вызванное легированием, относительно изменения поглощения для однослойных TMD составляет примерно 125, что значительно выше, чем наблюдаемое в материалах, обычно используемых для кремниевых фотонных модуляторов, включая Si и III-V на Si, при одновременном сопровождении незначительные вносимые потери.
«Мы первые, кто наблюдал сильное изменение электрорефракции в этих тонких монослоях», – говорит ведущий автор статьи Ипшита Датта, аспирантка Lipson. «Мы продемонстрировали чистую оптическую фазовую модуляцию, используя платформу композитного волновода из нитрида кремния (SiN) -TMD с низкими потерями, в которой оптическая мода волновода взаимодействует с монослоем. Итак, теперь, просто поместив эти монослои на кремниевые волноводы, мы можем изменить фазу на тот же порядок, но в 10000 раз меньше рассеиваемой электрической мощности.
Это очень обнадеживает для масштабирования фотонных схем и маломощных лидаров."
Исследователи продолжают исследовать и лучше понимать физический механизм, лежащий в основе сильного электрорефрактивного эффекта.
В настоящее время они используют свои фазовые модуляторы с малыми потерями и малой мощностью, чтобы заменить традиционные фазовращатели, и, следовательно, снизить потребление электроэнергии в крупномасштабных приложениях, таких как оптические фазированные решетки, нейронные и квантовые схемы.