Ilustración de un interferómetro óptico integrado con monocapas semiconductoras como TMD en ambos brazos del interferómetro de nitruro de silicio (SiN). Se pueden probar las propiedades electroópticas de la monocapa con alta precisión utilizando estos interferómetros ópticos en chip. Crédito:Ipshita Datta y Aseema Mohanty, Lipson Nanophotonics Group / Columbia Engineering
Manipulación óptica a nanoescala, o nanofotónica, se ha convertido en un área de investigación crítica, a medida que los investigadores buscan formas de satisfacer la demanda cada vez mayor de procesamiento de información y comunicaciones. La capacidad de controlar y manipular la luz a escala nanométrica dará lugar a numerosas aplicaciones, incluida la comunicación de datos, imagen rango, sintiendo espectroscopia, y circuitos cuánticos y neuronales (piense en LIDAR (detección de luz y alcance) para automóviles sin conductor y video a pedido más rápido, por ejemplo).
Hoy dia, El silicio se ha convertido en la plataforma fotónica integrada preferida debido a su transparencia en las longitudes de onda de las telecomunicaciones. capacidad de modulación electroóptica y termoóptica, y su compatibilidad con las técnicas de fabricación de semiconductores existentes. Pero, mientras que la nanofotónica de silicio ha logrado grandes avances en los campos de las comunicaciones ópticas de datos, matrices en fase, LIDAR, y circuitos cuánticos y neuronales, Hay dos preocupaciones principales para la integración a gran escala de la fotónica en estos sistemas:su necesidad cada vez mayor de escalar el ancho de banda óptico y su alto consumo de energía eléctrica.
Los moduladores de fase de silicio a granel existentes pueden cambiar la fase de una señal óptica, pero este proceso se produce a expensas de una gran pérdida óptica (modulación electroóptica) o de un alto consumo de energía eléctrica (modulación termoóptica). Un equipo de la Universidad de Columbia, dirigido por Michal Lipson, Eugene Higgins Profesor de Ingeniería Eléctrica y profesor de física aplicada en Columbia Engineering, anunció que han descubierto una nueva forma de controlar la fase de la luz utilizando materiales 2-D:materiales atómicamente delgados, 0,8 nanómetros, o 1/100, 000 del tamaño de un cabello humano, sin cambiar su amplitud, a una disipación de energía eléctrica extremadamente baja.
En este nuevo estudio, publicado hoy por Fotónica de la naturaleza , los investigadores demostraron que simplemente colocando el material delgado sobre guías de ondas de silicio pasivas, podrían cambiar la fase de la luz con tanta fuerza como los moduladores de fase de silicio existentes, pero con una pérdida óptica y un consumo de energía mucho más bajos.
Ilustración de una cavidad óptica de baja pérdida basada en un resonador de micro-anillo integrado con material semiconductor 2D en la parte superior de la guía de ondas. Crédito:Ipshita Datta y Aseema Mohanty, Lipson Nanophotonics Group / Columbia Engineering
"La modulación de fase en la comunicación óptica coherente sigue siendo un desafío para escalar, debido a la alta pérdida óptica asociada con el cambio de fase, ", dice Lipson." Ahora hemos encontrado un material que solo puede cambiar la fase, brindándonos otra vía para expandir el ancho de banda de las tecnologías ópticas ".
Se sabe que las propiedades ópticas de los materiales semiconductores 2-D, como los dicalcogenuros de metales de transición (TMD), cambian drásticamente con la inyección de portador libre (dopaje) cerca de sus resonancias excitónicas (picos de absorción). Sin embargo, se sabe muy poco sobre el efecto del dopaje en las propiedades ópticas de los TMD en longitudes de onda de telecomunicaciones, lejos de estas resonancias excitónicas, donde el material es transparente y, por lo tanto, se puede aprovechar en circuitos fotónicos.
El equipo de Columbia, que incluía a James Hone, Wang Fong-Jen, profesor de ingeniería mecánica en Columbia Engineering, y Dimitri Basov, profesor de física en la Universidad, sondeó la respuesta electroóptica del TMD integrando la monocapa semiconductora en la parte superior de una cavidad óptica de nitruro de silicio de baja pérdida y dopando la monocapa usando un líquido iónico. Observaron un gran cambio de fase con el dopaje, mientras que la pérdida óptica cambió mínimamente en la respuesta de transmisión de la cavidad del anillo. Demostraron que el cambio de fase inducido por el dopaje en relación con el cambio en la absorción de TMD monocapa es de aproximadamente 125, que es significativamente más alta que la observada en materiales comúnmente empleados para moduladores fotónicos de silicio, incluidos Si y III-V sobre Si, al mismo tiempo que se acompaña de una pérdida de inserción insignificante.
"Somos los primeros en observar un fuerte cambio electrorrefractivo en estas delgadas monocapas, "dice la autora principal del artículo, Ipshita Datta, un doctorado estudiante con Lipson. "Mostramos modulación de fase óptica pura utilizando una plataforma de guía de ondas compuesta de nitruro de silicio (SiN) -TMD de baja pérdida en la que el modo óptico de la guía de ondas interactúa con la monocapa. Así que ahora, simplemente colocando estas monocapas en guías de ondas de silicio, podemos cambiar la fase en el mismo orden de magnitud, pero a 10000 veces menor disipación de energía eléctrica. Esto es extremadamente alentador para el escalado de circuitos fotónicos y para LIDAR de baja potencia ".
Los investigadores continúan investigando y entendiendo mejor el mecanismo físico subyacente del fuerte efecto electrorrefractivo. Actualmente están aprovechando sus moduladores de fase de baja pérdida y baja potencia para reemplazar los cambiadores de fase tradicionales, y, por lo tanto, reducir el consumo de energía eléctrica en aplicaciones a gran escala, como matrices ópticas en fase, y circuitos neuronales y cuánticos.
