使用原子薄材料控制光相位的新方法可以实现量子和神经电路

基于半导体2D材料的基于集成微环谐振器的基于半导体2D材料的集成微环谐振器的例证。

研究人员使用2D材料-1 / 100,000人头的大小 - 以极低的功率损耗在不改变其振幅的情况下操纵光的阶段;可以启用LIDAR，相控阵列，光学切换和量子和光学神经网络等应用。

纳米级或纳米光电学的光学操作已成为一个关键的研究区域，因为研究人员寻求满足越来越多的信息处理和通信需求的方法。控制和操纵纳米秤上的光的能力将导致许多应用，包括数据通信，成像，测距，传感，光谱学和昆腾和神经电路（思考LiDar - 光检测和测距 - 用于自动驾驶汽车和更快的视频例如， - 要求）。

如今，由于其在电信波长的透明度，电光和热光调制的能力以及其与现有半导体制造技术的兼容性，硅已经成为优选的集成光子凝固平台。但是，虽然硅纳米光源性在光学数据通信领域的阶段，但相控阵列，激光乐队和量子和神经电路，但对这些系统的大规模集成了两个主要关注的问题：他们无法扩大的需求缩放光学带宽及其高电功耗。

现有的散装硅相模调制器可以改变光信号的相位，但是该过程以高光学损耗（电光调制）或高电功耗（热光学调制）为代价。哥伦比亚大学团队，由米歇尔·丽林松，尤金希金斯电气工程教授和哥伦比亚工程应用物理教授教授，宣布他们已经发现了使用2D材料 - 原子薄材料，〜0.8纳米来控制光相的新方法，〜0.8纳米或者1/100000人毛的尺寸 - 在极低的电力耗散下不改变其振幅。

一个集成的光学干涉仪的例证有半导体单层的诸如tmds的在氮化硅（SiN）干涉仪的臂上。可以使用这些片上光学干涉仪高精度探测单层的电光特性。

在这项新的研究中，在2020年2月24日发布的，由自然光子学，研究人员证明，通过简单地将薄材料放在无源硅波导顶部，它们可以像现有的硅相调制器一样改变光相位，但是光学损耗和功耗大得多。

Lipson说：“由于与相变相关联的光学损失，”光学相干通信中的相位调制仍然是挑战。““现在我们发现了一种可以改变阶段的材料，为我们提供另一个途径来扩展光学技术的带宽。”

已知半导体2D材料的光学性质，例如过渡金属二甲基甲基化物（TMDS），在其激发器共振（吸收峰）附近，用自由载体喷射（掺杂）显着变化。然而，关于掺杂对电信波长的TMDS光学性质的影响非常几乎很少，远离这些兴奋的共振，其中材料是透明的，因此可以在光子电路中杠杆。

包括哥伦比亚队（Columbia Team）包括詹姆斯·赫恩，王芳仁，哥伦比亚工程机械工程教授，以及大学物理学教授Dimitri Basov，探讨了TMD的电光响应，通过将半导体单层集成在A顶部低损耗氮化硅光学腔并使用离子液体掺杂单层。它们观察到具有掺杂的大相变化，而光学损耗在环形腔的传动响应中最微小地变化。他们认为，相对于单层TMDS的吸收变化的掺杂诱导的相变度约为125，其显着高于在硅光子调制器中常用的材料中观察到的，同时同时伴随着Si和III-V.同时伴随可忽略不计插入损耗。

“我们是第一个观察这些薄型单层的强烈电屈光屈光度的变化，”这篇论文的领先作者Ipshita Datta表示，刘雄博士学位。“我们通过利用低损耗氮化硅（SIN）-TMD复合波导平台来显示纯光学相位调制，其中波导的光学模式与单层相互作用。因此，现在，通过简单地将这些单层放在硅波导上，我们可以通过相同的数量级来改变相位，但是在电力功率耗散下10000倍。这对于光子电路和低功耗激光雷达来说非常令人鼓舞。“

研究人员继续探讨并更好地了解强烈的电流效果的潜在物理机制。它们目前正在利用它们的低损耗和低功率相位调制器来取代传统的相移器，因此降低了大规模应用中的电力消耗，例如光相控阵和神经和量子电路。

参考：“基于2D半导体单层的低损耗复合光子平台”由iPshita Datta，桑亨Chae，Gaurang R. Bhatt，Mohammad Amin Tadayon，Baichang Li，百林宇，Chibeom Park，九货公园，临安曹，DN Basov，James Hone和Michal Lipson，2020年2月24日，Nature Photonics.doi：
10.1038 / s41566-020-0590-4

该研究得到了能源部，科学办公室，基础能源科学（EFRC Pro-QM＃De-SC0019443），国防高级研究项目代理（＃HR001110720034和＃FA8650-16-7643），气力办公室的科学研究穆里（＃FA9550-18-1-0379），海军研究办公室（＃N00014-16-1-2119）和美国国家航空航天局（＃NNX16AD16G）。利益争夺：M.L.，J.H.，I.D.，S.C.，G.R.B.和D.N.B在美国临时专利申请16/282,013上被评为发明人，关于本文报告的技术。