圖片來源：Ipshita Datta and Aseema Mohanty， Lipson Nanophotonics Group/Columbia Engineering

隨著資訊處理和通訊需求的不斷增長，奈米光學操作已經成為一個重要的研究領域。在奈米尺度上控制和操縱光的能力將會帶來大量的應用，包括資料通訊、成像、測距、感測、光譜學、量子和神經電路（例如，自動駕駛汽車的鐳射探測和測距以及更快的影片點播）。

如今，由於矽在電信波長上的透明性、電光和熱光調製的能力以及與現有半導體制造技術的相容性，它已經成為首選的整合光子學平臺。儘管矽奈米光子學在光資料通訊、相控陣、鐳射雷達以及量子和神經電路領域取得了長足進步，但將光子大規模整合到這些系統中仍存在兩個主要問題：對電子系統不斷增長的光頻寬及其高功耗的需求。

現有的矽體相位調製器可以改變光訊號的相位，但這一過程的代價是高的光損耗（電光調製）或高的電能消耗（熱光調製）。哥倫比亞大學團隊，由尤金·希金斯電氣工程教授和哥倫比亞大學的應用物理學教授米甲·利普森宣佈，發現了一種使用二維材料控制光相位的新方法-原子級薄材料，僅0。8奈米，即頭髮絲的1/100，000，在不改變其振幅的情況下，功耗極低。

在2月24日發表在《自然光子學》雜誌上的一項新研究中，研究人員證明，只需將薄材料放在無源矽波導的頂部，它們就可以像現有的矽相位調製器一樣強烈地改變光的相位，但光損耗和功耗損耗低得多。

“由於與相位變化相關的高光學損耗，光學相干通訊中的相位調製仍然是一個很大的挑戰，”利普森說，“現在我們發現了一種只能改變相位的材料，這為我們擴充套件光學技術的頻寬提供了另一種途徑。”

半導體二維材料，如過渡金屬雙鹵族化合物（TMDs），其光學性質隨著其激子共振峰（吸收峰）附近的自由載流子注入（摻雜）而發生顯著變化。然而，在遠離這些激子共振的電信波長處，摻雜對TMDs光學性質的影響知之甚少，因為在這些激子共振處，材料是透明的，因此可以在光子電路中利用。

哥倫比亞團隊的成員包括哥倫比亞工程學院機械工程學教授James Hone和大學物理學教授Dimitri Basov，他們透過整合半導體單層的低損耗氮化矽光學腔和摻雜的單層使用離子液體來探究TMD的電光響應。他們觀察到了摻雜引起的大相位變化，而光損耗在環形腔的傳輸響應中變化最小。他們表明，相對於單層TMD吸收變化，摻雜引起的相變約為125，這明顯高於通常用於矽光子調製器（包括Si和Si上的III-V）的材料中觀察到的相變，同時伴隨的插入損耗可忽略不計。

“我們是第一批在這些薄單分子層中觀察到強電折射變化的人。”論文的主要作者Ipshita Datta說，他是利普森的博士生。“我們利用低損耗氮化矽（SiN）-TMD複合波導平臺實現了純光相位調製，波導的光模式與單層相互作用。所以現在，只要簡單地把這些單分子膜放在矽波導上，我們就可以改變相同數量級的相位，但降低了10000倍的電力損耗。這對於光子電路和低功率鐳射雷達的標度是非常鼓舞人心的。”

研究人員正在繼續探索和更好地理解強電折射效應的潛在物理機制。目前正利用他們的低損耗和低功率相位調製器來取代傳統的移相器，從而在大規模應用中減少電力消耗，如光學相控陣、神經和量子電路。

原文來源：https：//phys。org/news/2020-02-team-phase-d-materials。html