超薄2D材料控制光相位新方法，厚度仅头发丝十万分之一功耗极低

图片来源：Ipshita Datta and Aseema Mohanty, Lipson Nanophotonics Group/Columbia Engineering

随着信息处理和通信需求的不断增长，纳米光学操作已经成为一个重要的研究领域。在纳米尺度上控制和操纵光的能力将会带来大量的应用，包括数据通信、成像、测距、传感、光谱学、量子和神经电路(例如，自动驾驶汽车的激光探测和测距以及更快的视频点播)。

如今，由于硅在电信波长上的透明性、电光和热光调制的能力以及与现有半导体制造技术的兼容性，它已经成为首选的集成光子学平台。尽管硅纳米光子学在光数据通信、相控阵、激光雷达以及量子和神经电路领域取得了长足进步，但将光子大规模集成到这些系统中仍存在两个主要问题：对电子系统不断增长的光带宽及其高功耗的需求。

现有的硅体相位调制器可以改变光信号的相位，但这一过程的代价是高的光损耗(电光调制)或高的电能消耗(热光调制)。哥伦比亚大学团队,由尤金·希金斯电气工程教授和哥伦比亚大学的应用物理学教授米甲·利普森宣布，发现了一种使用二维材料控制光相位的新方法-原子级薄材料，仅0.8纳米，即头发丝的1/100,000，在不改变其振幅的情况下，功耗极低。

在2月24日发表在《自然光子学》杂志上的一项新研究中，研究人员证明，只需将薄材料放在无源硅波导的顶部，它们就可以像现有的硅相位调制器一样强烈地改变光的相位，但光损耗和功耗损耗低得多。

“由于与相位变化相关的高光学损耗，光学相干通信中的相位调制仍然是一个很大的挑战，”利普森说，“现在我们发现了一种只能改变相位的材料，这为我们扩展光学技术的带宽提供了另一种途径。”

半导体二维材料，如过渡金属双卤族化合物(TMDs)，其光学性质随着其激子共振峰(吸收峰)附近的自由载流子注入(掺杂)而发生显著变化。然而，在远离这些激子共振的电信波长处，掺杂对TMDs光学性质的影响知之甚少，因为在这些激子共振处，材料是透明的，因此可以在光子电路中利用。

哥伦比亚团队的成员包括哥伦比亚工程学院机械工程学教授James Hone和大学物理学教授Dimitri Basov，他们通过集成半导体单层的低损耗氮化硅光学腔和掺杂的单层使用离子液体来探究TMD的电光响应。他们观察到了掺杂引起的大相位变化，而光损耗在环形腔的传输响应中变化最小。他们表明，相对于单层TMD吸收变化，掺杂引起的相变约为125，这明显高于通常用于硅光子调制器（包括Si和Si上的III-V）的材料中观察到的相变，同时伴随的插入损耗可忽略不计。

“我们是第一批在这些薄单分子层中观察到强电折射变化的人。”论文的主要作者Ipshita Datta说，他是利普森的博士生。“我们利用低损耗氮化硅(SiN)-TMD复合波导平台实现了纯光相位调制，波导的光模式与单层相互作用。所以现在，只要简单地把这些单分子膜放在硅波导上，我们就可以改变相同数量级的相位，但降低了10000倍的电力损耗。这对于光子电路和低功率激光雷达的标度是非常鼓舞人心的。”

研究人员正在继续探索和更好地理解强电折射效应的潜在物理机制。目前正利用他们的低损耗和低功率相位调制器来取代传统的移相器，从而在大规模应用中减少电力消耗，如光学相控阵、神经和量子电路。

原文来源：https://phys.org/news/2020-02-team-phase-d-materials.html