哥倫比亞大學利用2D材料控制光相位 應用於自動駕駛汽車激光雷達

據外媒報道,隨著信息處理和通信的需求不斷增長,納米光學操縱成為瞭一個關鍵的研究領域。能夠在納米尺度上控制和操縱光會實現大量的應用,包括數據通信、成像、測距、傳感、光譜學、量子和神經電路等,如自動駕駛汽車的激光雷達以及速度更快的視頻點播等。

哥倫比亞大學利用2D材料控制光相位 應用於自動駕駛汽車激光雷達

如今,由於矽在電信波長上具備一定的透明度、具備電光和熱光調制能力以及可與現有的半導體制造技術兼容,已經成為瞭首選的集成光子學平臺。雖然,矽納米光子在光學數據通信、相控陣列、激光雷達、量子和神經電路等方面取得瞭重大進展,不過,大規模將矽納米光子集成至上述系統中還有兩個主要障礙:對擴展光學寬帶的需求不斷擴大以及高電力消耗。

現有的大部分矽相位調制器能夠改變光學信號的相位,但是該過程帶來的代價是很高的光學損耗(電光調制)或很高的電力消耗(熱光調制)。不過,美國哥倫比亞大學團隊表示,他們發現瞭一種新方式,可以利用2D材料(超薄、0.8納米,或人類頭發的十萬分之一的材料)來控制光相位,而且不會改變其振幅,電力消耗也極低。

研究人員表示,隻要在無源矽波導上放置該超博材料,就能夠像現有的矽相位調制器一樣,大幅改變光的相位,而且光損耗和功耗要低得多。

哥倫比亞大學利用2D材料控制光相位 應用於自動駕駛汽車激光雷達

眾所周知,過渡金屬雙鹵族化合物(TMD)等半導體2D材料的光學特性會隨著其激子共振峰(吸收峰)附近的自由載流子註入(摻雜)而發生顯著變化。不過,幾乎沒人知道在遠離此類激子共振的電信波長處,摻雜自由載流子對TMD光學性質的影響,在此類激子共振處,材料是透明的,因此可以用於光子電路。

哥倫比亞大學團隊通過在低損耗氮化矽光腔上集成半導體單層,並在半導體單層摻雜瞭離子液體,以探測TMD的電光響應。他們觀察到摻雜瞭離子液體後,相位變化較大,而在環形腔的傳輸響應中,光損耗的變化最小。他們發現,對於單層TMD而言,摻雜引起的相位變化是吸收引起的相位變化的約125倍,明顯高於Si和Si上的III-V等常用的矽光子調制器材料,同時插入損耗可以忽略不計。

研究人員正在繼續探索和更好地理解強電折射效應的潛在物理機制。他們目前正利用低損耗和低功率相位調制器來取代傳統的移相器,以在光學相控陣、神經和量子電路等大規模應用中減少電力消耗。(文中圖片均來自哥倫比亞大學)

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