La manipulación óptica en la nanoescala, o nanofotónica, se ha convertido en un área de investigación crítica, ya que los investigadores buscan formas de satisfacer la creciente demanda de procesamiento de información y comunicaciones. La capacidad de controlar y manipular la luz en la escala nanométrica conduciráa numerosas aplicaciones que incluyen comunicación de datos, imágenes, rango, detección, espectroscopía y circuitos cuánticos y neuronales piense en LIDAR, detección y rango de luz, para automóviles sin conductor y video a pedido más rápido, por ejemplo.
Hoy, el silicio se ha convertido en la plataforma fotónica integrada preferida debido a su transparencia en las longitudes de onda de las telecomunicaciones, la 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 hecho grandes avances enEn los campos de comunicaciones de datos ópticos, matrices en fases, LIDAR y circuitos cuánticos y neuronales, existen 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 alta pérdida óptica modulación electroóptica o un alto consumo de energía eléctrica modulación termoóptica. Un equipo de la Universidad de Columbia, dirigido por Michal Lipson, profesor de ingeniería eléctrica de Eugene Higgins y profesor de física aplicada en Columbia Engineering, anunció que han descubierto una nueva forma de controlar la fase de la luz utilizando materiales 2D: materiales atómicamente delgados, 0,8 nanómetros, o 1/ 100000 del tamaño de un cabello humano, sin cambiar su amplitud, con 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 encima de las 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.
"La modulación de fase en la comunicación coherente óptica ha seguido siendo un desafío para la escala, 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, proporcionándonosotra vía para expandir el ancho de banda de las tecnologías ópticas "
Se sabe que las propiedades ópticas de los materiales semiconductores 2D como los dichoslcogenuros 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 dopajesobre las propiedades ópticas de los TMD en las longitudes de onda de las telecomunicaciones, lejos de estas resonancias excitónicas, donde el material es transparente y, por lo tanto, puede aprovecharse en los circuitos fotónicos.
El equipo de Columbia, que incluía a James Hone, profesor de ingeniería mecánica Wang Fong-Jen en Columbia Engineering y Dimitri Basov, profesor de física en la Universidad, investigó la respuesta electroóptica del TMD al integrar la monocapa semiconductora en la parte superiorde 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. Mostraron que la fase inducida por dopajeel cambio relativo al cambio en la absorción para TMD monocapa es aproximadamente 125, que es significativamente mayor que el observado en materiales comúnmente empleados para moduladores fotónicos de silicio, incluidos Si y III-V en Si, mientras que simultáneamente se acompaña de una pérdida de inserción insignificante.
"Somos los primeros en observar un fuerte cambio electro-refractivo en estas monocapas delgadas", dice el autor principal del artículo, Ipshita Datta, estudiante de doctorado en Lipson. "Mostramos una modulación de fase óptica pura mediante la utilización de un nitruro de silicio de baja pérdida SiN - Plataforma de guía de ondas compuesta TMD 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 una potencia eléctrica 10000 veces menordisipación. 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 para el fuerte efecto electrorefractivo. Actualmente están aprovechando sus moduladores de fase de baja pérdida y baja potencia para reemplazar los cambiadores de fase tradicionales y, por lo tanto, reducen el consumo de energía eléctrica en grandes-escalas tales como arreglos ópticos en fase y circuitos neuronales y cuánticos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Original escrito por Holly Evarts. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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