Optische manipulatie op nanoschaal, of nanofotonica, een kritisch onderzoeksgebied is geworden, terwijl onderzoekers manieren zoeken om te voldoen aan de steeds toenemende vraag naar informatieverwerking en communicatie. Het vermogen om licht op nanometerschaal te controleren en te manipuleren zal leiden tot tal van toepassingen, waaronder datacommunicatie, in beeld brengen, variërend, voelen, spectroscopie, en kwantum- en neurale circuits (denk aan LIDAR - lichtdetectie en -bereik - voor zelfrijdende auto's en snellere video-on-demand, bijvoorbeeld).

Vandaag, silicium is het geprefereerde geïntegreerde fotonicaplatform geworden vanwege zijn transparantie bij telecommunicatiegolflengten, mogelijkheid voor elektro-optische en thermo-optische modulatie, en de compatibiliteit ervan met bestaande halfgeleiderfabricagetechnieken. Maar, terwijl silicium nanofotonica grote vooruitgang heeft geboekt op het gebied van optische datacommunicatie, gefaseerde arrays, LIDAR, en kwantum- en neurale circuits, er zijn twee grote zorgen voor grootschalige integratie van fotonica in deze systemen:hun steeds groter wordende behoefte aan schaalbare optische bandbreedte en hun hoge elektrische stroomverbruik.

Bestaande bulk silicium fasemodulatoren kunnen de fase van een optisch signaal veranderen, maar dit proces gaat ten koste van ofwel een hoog optisch verlies (elektro-optische modulatie) of een hoog elektrisch stroomverbruik (thermo-optische modulatie). Een team van Columbia University, onder leiding van Michal Lipson, Eugene Higgins hoogleraar Elektrotechniek en hoogleraar toegepaste natuurkunde aan Columbia Engineering, aangekondigd dat ze een nieuwe manier hebben ontdekt om de fase van licht te regelen met behulp van 2D-materialen - atomair dunne materialen, 0,8 nanometer, of 1/100, 000 zo groot als een mensenhaar - zonder de amplitude te veranderen, bij extreem lage elektrische vermogensdissipatie.

In deze nieuwe studie vandaag gepubliceerd door Natuurfotonica , de onderzoekers toonden aan dat door simpelweg het dunne materiaal op passieve siliciumgolfgeleiders te plaatsen, ze kunnen de lichtfase net zo sterk veranderen als bestaande siliciumfasemodulatoren, maar met veel lager optisch verlies en stroomverbruik.

"Fasemodulatie in optische coherente communicatie is een uitdaging op schaal gebleven, vanwege het hoge optische verlies dat gepaard ging met faseverandering, "zegt Lipson. "Nu hebben we een materiaal gevonden dat alleen de fase kan veranderen, ons een andere mogelijkheid bieden om de bandbreedte van optische technologieën uit te breiden."

Het is bekend dat de optische eigenschappen van 2-D halfgeleidermaterialen zoals overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's) drastisch veranderen met free-carrier injectie (doping) nabij hun excitonische resonanties (absorptiepieken). Echter, er is zeer weinig bekend over het effect van doping op de optische eigenschappen van TMD's bij telecomgolflengten, ver weg van deze excitonische resonanties, waar het materiaal transparant is en daarom kan worden gebruikt in fotonische circuits.

Het Colombia-team, waaronder James Hone, Wang Fong-Jen hoogleraar werktuigbouwkunde aan Columbia Engineering, en Dimitri Basov, hoogleraar natuurkunde aan de universiteit, onderzocht de elektro-optische respons van de TMD door de monolaag van de halfgeleider te integreren bovenop een optische holte van siliciumnitride met weinig verlies en de monolaag te doteren met een ionische vloeistof. Ze observeerden een grote faseverandering bij doping, terwijl het optische verlies minimaal veranderde in de transmissierespons van de ringholte. Ze toonden aan dat de door doping geïnduceerde faseverandering ten opzichte van de verandering in absorptie voor monolaag TMD's ongeveer 125 is, die aanzienlijk hoger is dan die waargenomen in materialen die gewoonlijk worden gebruikt voor siliciumfotonische modulatoren, waaronder Si en III-V op Si, terwijl het tegelijkertijd gepaard gaat met verwaarloosbaar invoegverlies.

"Wij zijn de eersten die sterke elektro-refractieve verandering in deze dunne monolagen waarnemen, ", zegt de hoofdauteur van het artikel, Ipshita Datta, een doctoraat leerling bij Lipson. "We toonden pure optische fasemodulatie door gebruik te maken van een siliciumnitride (SiN) -TMD composiet golfgeleiderplatform met laag verlies waarin de optische modus van de golfgeleider interageert met de monolaag. Dus nu, door deze monolagen simpelweg op silicium golfgeleiders te plaatsen, we kunnen de fase met dezelfde orde van grootte veranderen, maar bij 10000 keer lagere elektrische vermogensdissipatie. Dit is buitengewoon bemoedigend voor het opschalen van fotonische circuits en voor LIDAR met laag vermogen."

De onderzoekers blijven het onderliggende fysieke mechanisme voor het sterke elektrorefractieve effect onderzoeken en beter begrijpen. Ze maken momenteel gebruik van hun low-loss en low-power fasemodulatoren om traditionele faseverschuivers te vervangen, en daardoor het elektrische stroomverbruik verminderen in grootschalige toepassingen zoals optische phased arrays, en neurale en kwantumcircuits.