哥倫比亞大學(xué)提出一種控制光相位的創(chuàng)新方法

  現(xiàn)如今，由于硅在電信波長(zhǎng)上的透明性、電光和熱光調(diào)制的能力以及與現(xiàn)有半導(dǎo)體制造技術(shù)的兼容性，它已經(jīng)成為首選的集成光子學(xué)平臺(tái)。盡管硅納米光子學(xué)在光學(xué)的數(shù)據(jù)通信、相控陣、激光雷達(dá)以及量子和神經(jīng)電路領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但將光子大規(guī)模集成到這些系統(tǒng)中仍存在兩個(gè)主要問(wèn)題：電子系統(tǒng)不斷增長(zhǎng)的光帶寬和解決高功耗的需求。

  現(xiàn)有的硅體相位調(diào)制器可以改變光信號(hào)的相位，但這一過(guò)程以高的光損耗(電光調(diào)制)或高的電能消耗(熱光調(diào)制)為代價(jià)。近日，哥倫比亞大學(xué)尤金·希金斯電氣工程教授兼應(yīng)用物理學(xué)教授米甲·利普森團(tuán)隊(duì)宣布，其發(fā)現(xiàn)了一種使用二維材料控制光相位的新方法：原子級(jí)薄材料，僅0.8納米，即頭發(fā)絲的1/100,000，可以在不改變其振幅的情況下，實(shí)現(xiàn)極低的功耗。

  2月24日，根據(jù)發(fā)表在《自然光子學(xué)》雜志上的一項(xiàng)新研究，研究人員證明只需將薄材料放在無(wú)源硅波導(dǎo)的頂部，它們就可以像現(xiàn)有的硅相位調(diào)制器一樣強(qiáng)烈地改變光的相位，同時(shí)光的損耗和功耗可以降低很多。

  利普森教授表示：“由于相位變化存在高光學(xué)損耗，光學(xué)相干通信中的相位調(diào)制仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，而現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)了一種只改變相位的材料，這為我們擴(kuò)展光學(xué)技術(shù)的帶寬提供了另一種途徑?！?

  半導(dǎo)體二維材料，如過(guò)渡金屬雙鹵族化合物(TMDs)，其光學(xué)性質(zhì)隨著其激子共振峰(吸收峰)附近的自由載流子注入(摻雜)而發(fā)生顯著變化。然而，在遠(yuǎn)離這些激子共振的電信波長(zhǎng)處，摻雜對(duì)TMDs光學(xué)性質(zhì)的影響知之甚少，因?yàn)樵谶@些激子共振處，材料是透明的，因此可以在光子電路中利用。

  哥倫比亞團(tuán)隊(duì)的成員包括哥倫比亞工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)教授James Hone和大學(xué)物理學(xué)教授Dimitri Basov，他們通過(guò)集成半導(dǎo)體單層的低損耗氮化硅光學(xué)腔和摻雜的單層使用離子液體來(lái)探究TMD的電光響應(yīng)。他們觀察到了摻雜引起的大相位變化，而光損耗在環(huán)形腔的傳輸響應(yīng)中變化最小。他們表明，相對(duì)于單層TMD吸收變化，摻雜引起的相變約為125，這明顯高于目前主流硅光子調(diào)制器(包括Si和Si上的III-V)材料所能觀察到的相變，同時(shí)伴隨的插損可忽略不計(jì)。

  利普森的博士生，即論文的主要作者Ipshita Datta表示“我們是第一批在這些薄單分子層中觀察到強(qiáng)電折射變化的人。我們利用低損耗氮化硅(SiN)-TMD復(fù)合波導(dǎo)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了純光相位調(diào)制，波導(dǎo)的光模式與單層相互作用。所以現(xiàn)在，只要簡(jiǎn)單地把這些單分子膜放在硅波導(dǎo)上，我們就可以改變相同數(shù)量級(jí)的相位，但降低了10000倍的電損耗。這對(duì)于光子電路和低功率激光雷達(dá)的標(biāo)度是非常鼓舞人心的?！?

  研究人員正在繼續(xù)探索和更好地理解強(qiáng)電折射效應(yīng)的潛在物理機(jī)制。目前正利用他們的低損耗和低功率相位調(diào)制器來(lái)取代傳統(tǒng)的移相器，從而在大規(guī)模應(yīng)用中減少功耗，如光學(xué)相控陣、神經(jīng)和量子電路。