隨著研究人員尋求方法來(lái)滿足對(duì)信息處理和通信的不斷增長(zhǎng)的需求，在納米級(jí)或納米光子學(xué)上的光學(xué)操縱已成為一個(gè)關(guān)鍵的研究領(lǐng)域。控制和操縱納米級(jí)光的能力將導(dǎo)致許多應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)通信，成像，測(cè)距，傳感，光譜學(xué)以及量子和神經(jīng)電路(想想LIDAR(用于自動(dòng)駕駛汽車的光檢測(cè)和測(cè)距)和更快的視頻) (例如按需)。

如今，由于硅在電信波長(zhǎng)下的透明性，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，硅已成為首選的集成光子平臺(tái)。但是，盡管硅納米光子學(xué)在光數(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：對(duì)電子系統(tǒng)的不斷增長(zhǎng)的需求縮放光帶寬及其高功耗。

現(xiàn)有的體硅相位調(diào)制器可以改變光信號(hào)的相位，但是此過(guò)程是以高光損耗(電光調(diào)制)或高功耗(熱光調(diào)制)為代價(jià)的。由哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)系教授尤金·希金斯(Eugene Higgins)和哥倫比亞工程學(xué)院應(yīng)用物理學(xué)教授米哈爾·利普森(Michal Lipson)領(lǐng)導(dǎo)的哥倫比亞大學(xué)團(tuán)隊(duì)宣布，他們發(fā)現(xiàn)了一種使用二維材料控制光相位的新方法-原子薄材料0.8納米，即人發(fā)的1 / 100,000，在不改變其振幅的情況下，功耗極低。

在今天由Nature Photonics發(fā)布的這項(xiàng)新研究中，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，但光損耗和光損耗低得多。能量消耗。

基于集成微環(huán)諧振器的低損耗光腔的圖示，波導(dǎo)頂部有半導(dǎo)體2D材料。致謝：Lipson Nanophotonics Group / Columbia Engineering的Ipshita Datta和Aseema Mohanty

利普森說(shuō)：“由于與相變有關(guān)的高光損耗，光相干通信中的相位調(diào)制仍然是規(guī)模挑戰(zhàn)。” “現(xiàn)在，我們發(fā)現(xiàn)了一種只能改變相位的材料，這為我們提供了另一條擴(kuò)展光學(xué)技術(shù)帶寬的途徑。”

眾所周知，隨著自由載流子注入(摻雜)在其激子共振(吸收峰)附近，半導(dǎo)體2-D材料(例如過(guò)渡金屬二硫化氫(TMD))的光學(xué)特性會(huì)發(fā)生巨大變化。但是，關(guān)于摻雜對(duì)電信波長(zhǎng)處TMD光學(xué)特性的影響知之甚少，遠(yuǎn)離這些激子諧振，在激子諧振中材料是透明的，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James Hone，哥倫比亞工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)教授王鳳仁和大學(xué)物理學(xué)教授Dimitri Basov，他們通過(guò)將半導(dǎo)體單分子層集成在TMD的頂部來(lái)探究TMD的電光響應(yīng)。低損耗氮化硅光學(xué)腔，并使用離子液體摻雜單層。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。他們表明摻雜引起的相變相對(duì)于單層TMD吸收變化的相對(duì)值大約為125，這大大高于通常用于硅光子調(diào)制器(包括Si和Si上的III-V)的材料所觀察到的值，同時(shí)還伴有可忽略的插入損耗。

該論文的第一作者，博士Ipshita Datta說(shuō)：“我們是第一個(gè)在這些薄單層中觀察到強(qiáng)烈的電折射變化的人。” Lipson的學(xué)生。“我們利用低損耗的氮化硅(SiN)-TMD復(fù)合波導(dǎo)平臺(tái)展示了純光相位調(diào)制，該平臺(tái)的波導(dǎo)的光學(xué)模式與單層相互作用。因此，現(xiàn)在，只需將這些單層放置在硅波導(dǎo)上，我們就可以改變相位相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，但功耗降低了10000倍。這對(duì)于光子電路的規(guī)?？s小和低功率激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)是極為令人鼓舞的。”

研究人員正在繼續(xù)探索并更好地理解強(qiáng)電折射作用的潛在物理機(jī)制。他們目前正在利用其低損耗和低功率的相位調(diào)制器來(lái)替代傳統(tǒng)的移相器，從而降低了諸如光相控陣以及神經(jīng)和量子電路等大規(guī)模應(yīng)用中的電能消耗。