利用原子薄材料控制光相位的新方法使量子和神经电路成为可能

时间:2020-03-29 19:19 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

利用原子薄材料控制光相位的新方法使量子和神经电路成为可能

研究人员使用10万分之一人类头发大小的2D材料,在不改变振幅的情况下,以极低的功率损耗来控制光的相位;可实现激光雷达、相控阵、光开关、量子和光神经网络等应用。

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(想想激光雷达和mdash;光探测与测距例如,自动驾驶汽车和更快的视频点播)。

如今,由于其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,硅已经成为首选的集成光子学平台。但是,而硅纳米光子学方面取得了巨大的进展领域的光学数据通信、相控阵列,激光雷达,和量子神经回路,有两个重大关切的大规模集成光子学为这些系统:他们的不断扩大需要扩展光学带宽和高电能消耗。

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)。哥伦比亚大学的一个研究小组宣布,他们发现了一种利用2D材料控制光相位的新方法。该小组的领头人是电子工程尤金·希金斯教授和哥伦比亚大学工程应用物理学教授米哈尔·利普森。原子厚度的材料,约0.8纳米,或1/100000人头发丝大小;不改变其振幅,以极低的功耗。

利用原子薄材料控制光相位的新方法使量子和神经电路成为可能

在这个新研究发表在2月24日,2020年,自然光子学的研究人员证明,只需将薄硅波导材料上的被动,他们可以改变光的相位现有硅相位调节器一样强烈,但由于光学损失和功耗要低得多。

由于与相位变化相关的高光损耗,光学相干通信中的相位调制一直是一个难以解决的问题。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,如过渡金属双卤金化合物(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。

哥伦比亚队,其中包括詹姆斯磨练,王Fong-Jen哥伦比亚工程、机械工程教授和迪米特里Basov,大学的物理学教授,探测的光电响应TMD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。他们观察到掺杂有较大的相位变化,而光损耗在环形腔的传输响应中变化最小。他们发现,对于单层TMDs,掺杂引起的相对于吸收变化的相位变化约为125,明显高于Si和Si上的III-V等常用的硅光子调制器材料,但同时伴随的插入损耗可以忽略不计。

我们是第一个在这些薄单层中观察到强电折射变化的人。该论文的主要作者Ipshita Datta说,他是Lipson的一名博士生。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,其中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,但是要降低10000倍的电力损耗。这对于光子电路的标度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。他们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。

参考文献:基于二维半导体单膜的低损耗复合光子平台作者:Ipshita Datta、Sang Hoon Chae、Gaurang R. Bhatt、Mohammad Amin Tadayon、ba昌Li、Yiling Yu、Chibeom Park、Jiwoong Park、Linyou Cao、D. N. Basov、James Hone和Michal Lipson, 2020年2月24日,《自然光子学》。

DOI: 10.1038 / s41566 - 020 - 0590 - 4

这项研究是由美国能源部、办公室科学、基础能源科学(EFRC Pro-QM # De-SC0019443),国防高级研究计划局(# HR001110720034和# fa8650 - 16 - 7643),带来过度空军科研办公室负载(# fa9550 - 18 - 1 - 0379),海军研究办公室(# n00014 - 16 - 1 - 2219),和国家航空和宇宙航行局(# NNX16AD16G)。利益冲突:马丁,J.H.,身份证五厘米, G.R.B.和D.N.B是美国临时专利申请16/282,013中关于本文所述技术的指定发明人。

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