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Neue Methode zur Steuerung der Lichtphase mit atomar dünnen Materialien ermöglicht Quanten- und neuronale Schaltkreise

Integrierter Mikroringresonator

Abbildung eines integrierten, verlustarmen optischen Hohlraums auf Mikroringresonatorbasis mit Halbleiter-2D-Material auf dem Wellenleiter. Bildnachweis: Ipshita Datta und Aseema Mohanty, Lipson Nanophotonics Group / Columbia Engineering

Die Forscher verwenden 2D-Materialien – 1 / 100.000 von der Größe eines menschlichen Haares -, um die Lichtphase zu manipulieren, ohne ihre Amplitude bei extrem geringem Leistungsverlust zu ändern. könnte Anwendungen wie LIDAR, Phased Arrays, optisches Schalten sowie quanten- und optische neuronale Netze ermöglichen.

Die optische Manipulation im Nanomaßstab oder die Nanophotonik ist zu einem kritischen Forschungsbereich geworden, da Forscher nach Wegen suchen, um die ständig steigende Nachfrage nach Informationsverarbeitung und Kommunikation zu befriedigen. Die Fähigkeit, Licht im Nanometerbereich zu steuern und zu manipulieren, wird zu zahlreichen Anwendungen führen, darunter Datenkommunikation, Bildgebung, Entfernungsmessung, Sensorik, Spektroskopie sowie Quanten- und neuronale Schaltkreise (denken Sie an LIDAR – Lichterkennung und -entfernung) für selbstfahrende Autos und schnellere Videos -auf Nachfrage zum Beispiel).

Heute ist Silizium aufgrund seiner Transparenz bei Telekommunikationswellenlängen, seiner Fähigkeit zur elektrooptischen und thermooptischen Modulation und seiner Kompatibilität mit bestehenden Halbleiterherstellungstechniken zur bevorzugten integrierten Photonikplattform geworden. Während die Silizium-Nanophotonik in den Bereichen optische Datenkommunikation, Phased Arrays, LIDAR sowie Quanten- und Neuronale Schaltkreise große Fortschritte gemacht hat, gibt es zwei Hauptprobleme bei der Integration der Photonik in diese Systeme in großem Maßstab: ihren ständig wachsenden Bedarf an Skalierung der optischen Bandbreite und ihres hohen Stromverbrauchs.

Bestehende Silizium-Phasenmodulatoren können die Phase eines optischen Signals ändern, dieser Prozess geht jedoch zu Lasten eines hohen optischen Verlusts (elektrooptische Modulation) oder eines hohen Stromverbrauchs (thermooptische Modulation). EIN Universität von Columbia Das Team unter der Leitung von Michal Lipson, Eugene Higgins, Professor für Elektrotechnik und Professor für angewandte Physik an der Columbia Engineering, gab bekannt, dass sie einen neuen Weg zur Steuerung der Lichtphase mithilfe von 2D-Materialien entdeckt haben – atomar dünne Materialien, ~ 0,8 Nanometer oder 1 / 100000 so groß wie ein menschliches Haar – ohne Änderung seiner Amplitude bei extrem geringer Verlustleistung.

Integriertes optisches Interferometer

Abbildung eines integrierten optischen Interferometers mit Halbleitermonoschichten wie TMDs an beiden Armen des Siliziumnitrid (SiN) -Interferometers. Mit diesen optischen Interferometern auf dem Chip kann man die elektrooptischen Eigenschaften der Monoschicht mit hoher Präzision untersuchen. Bildnachweis: Ipshita Datta und Aseema Mohanty, Lipson Nanophotonics Group / Columbia Engineering

In dieser neuen Studie, die am 24. Februar 2020 von veröffentlicht wurde NaturphotonikDie Forscher zeigten, dass sie durch einfaches Aufbringen des dünnen Materials auf passive Siliziumwellenleiter die Lichtphase genauso stark verändern können wie vorhandene Siliziumphasenmodulatoren, jedoch mit viel geringerem optischen Verlust und geringerem Stromverbrauch.

„Die Phasenmodulation in der optisch kohärenten Kommunikation ist aufgrund des hohen optischen Verlusts, der mit dem Phasenwechsel verbunden war, eine Herausforderung für die Skalierung geblieben“, sagt Lipson. “Jetzt haben wir ein Material gefunden, das nur die Phase ändern kann und uns eine weitere Möglichkeit bietet, die Bandbreite optischer Technologien zu erweitern.”

Es ist bekannt, dass sich die optischen Eigenschaften von Halbleiter-2D-Materialien wie Übergangsmetalldichalkogeniden (TMDs) mit der Injektion freier Träger (Dotierung) in der Nähe ihrer exzitonischen Resonanzen (Absorptionspeaks) dramatisch ändern. Über die Auswirkung der Dotierung auf die optischen Eigenschaften von TMDs bei Telekommunikationswellenlängen, weit entfernt von diesen exzitonischen Resonanzen, bei denen das Material transparent ist und daher in photonischen Schaltkreisen genutzt werden kann, ist jedoch nur sehr wenig bekannt.

Das Columbia-Team, zu dem James Hone, Wang Fong-Jen-Professor für Maschinenbau an der Columbia Engineering, und Dimitri Basov, Professor für Physik an der Universität, gehörten, untersuchten die elektrooptische Reaktion des TMD durch Integration der Halbleitermonoschicht auf einer verlustarmer optischer Hohlraum aus Siliziumnitrid und Dotierung der Monoschicht mit einer ionischen Flüssigkeit. Sie beobachteten eine große Phasenänderung mit der Dotierung, während sich der optische Verlust in der Transmissionsantwort des Ringhohlraums minimal änderte. Sie zeigten, dass die durch Dotierung induzierte Phasenänderung relativ zur Änderung der Absorption für Monoschicht-TMDs ungefähr 125 beträgt, was signifikant höher ist als diejenige, die bei Materialien beobachtet wird, die üblicherweise für photonische Siliziummodulatoren einschließlich Si und III-V auf Si verwendet werden, während sie gleichzeitig von begleitet werden vernachlässigbarer Einfügungsverlust.

“Wir sind die ersten, die eine starke elektro-refraktive Veränderung dieser dünnen Monoschichten beobachten”, sagt die Hauptautorin des Papiers, Ipshita Datta, eine Doktorandin bei Lipson. „Wir haben eine reine optische Phasenmodulation unter Verwendung einer verlustarmen Siliziumnitrid (SiN) -TMD-Verbundwellenleiterplattform gezeigt, bei der der optische Modus des Wellenleiters mit der Monoschicht interagiert. Indem wir diese Monoschichten einfach auf Siliziumwellenleitern platzieren, können wir die Phase um dieselbe Größenordnung ändern, jedoch mit einer 10000-fach geringeren Verlustleistung. Dies ist äußerst ermutigend für die Skalierung von photonischen Schaltkreisen und für LIDAR mit geringem Stromverbrauch. “

Die Forscher untersuchen und verstehen weiterhin den zugrunde liegenden physikalischen Mechanismus für den starken elektrorefraktiven Effekt. Sie nutzen derzeit ihre verlustarmen und stromsparenden Phasenmodulatoren, um herkömmliche Phasenschieber zu ersetzen, und reduzieren daher den Stromverbrauch in großen Anwendungen wie optischen Phasenarrays sowie neuronalen und Quantenschaltungen.

Referenz: „Verlustarme photonische Verbundplattform auf Basis von 2D-Halbleitermonoschichten“ von Ipshita Datta, Sang Hoon Chae, Gaurang R. Bhatt, Mohammad Amin Tadayon, Baichang Li, Yiling Yu, Chibeom Park, Jiwoong Park, Linyou Cao, DN Basov, James Hone und Michal Lipson, 24. Februar 2020, Naturphotonik.
DOI: 10.1038 / s41566-020-0590-4

Die Studie wurde vom Energieministerium, dem Office of Science, den grundlegenden Energiewissenschaften (EFRC Pro-QM # De-SC0019443), der Agentur für fortgeschrittene Verteidigungsforschungsprojekte (# HR001110720034 und # FA8650-16-7643), dem Air Force Office of Scientific Research, unterstützt MURI (# FA9550-18-1-0379), Büro für Marineforschung (# N00014-16-1-2219) und Nationale Luft- und Raumfahrtbehörde (# NNX16AD16G). Konkurrierende Interessen: M.L., J.H., I.D., S.C., G.R.B. und D.N.B sind Erfinder der vorläufigen US-Patentanmeldung 16 / 282,013 in Bezug auf die in diesem Artikel beschriebene Technologie.