Ilustração de um interferômetro óptico integrado com monocamadas semicondutoras, como TMDs, em ambos os braços do interferômetro de nitreto de silício (SiN). Pode-se sondar as propriedades eletro-ópticas da monocamada com alta precisão usando esses interferômetros ópticos on-chip. Crédito:Ipshita Datta e Aseema Mohanty, Lipson Nanophotonics Group / Columbia Engineering
Manipulação óptica em escala nano, ou nanofotônica, tornou-se uma área crítica de pesquisa, à medida que os pesquisadores buscam maneiras de atender à demanda cada vez maior por processamento de informações e comunicações. A capacidade de controlar e manipular a luz na escala nanométrica levará a inúmeras aplicações, incluindo comunicação de dados, imagem, variando, de detecção, espectroscopia, e circuitos quânticos e neurais (pense em LIDAR - detecção e alcance de luz - para carros autônomos e vídeo sob demanda mais rápido, por exemplo).
Hoje, o silício se tornou a plataforma fotônica integrada preferida devido à sua transparência em comprimentos de onda de telecomunicações, capacidade de modulação eletro-óptica e termo-óptica, e sua compatibilidade com as técnicas de fabricação de semicondutores existentes. Mas, enquanto a nanofotônica de silício fez grandes avanços nos campos de comunicações ópticas de dados, matrizes em fase, LIDAR, e circuitos quânticos e neurais, há duas preocupações principais para a integração em grande escala da fotônica nesses sistemas:sua necessidade cada vez maior de dimensionar a largura de banda óptica e seu alto consumo de energia elétrica.
Os moduladores de fase de silício em massa existentes podem alterar a fase de um sinal óptico, mas esse processo ocorre às custas de uma alta perda ótica (modulação eletro-ótica) ou alto consumo de energia elétrica (modulação termo-ótica). Uma equipe da Columbia University, liderado por Michal Lipson, Eugene Higgins, professor de engenharia elétrica e professor de física aplicada na Columbia Engineering, anunciaram que descobriram uma nova maneira de controlar a fase da luz usando materiais 2-D - materiais atomicamente finos, 0,8 nanômetro, ou 1/100, 000 do tamanho de um cabelo humano - sem alterar sua amplitude, com dissipação de energia elétrica extremamente baixa.
Neste novo estudo, publicado hoje por Nature Photonics , os pesquisadores demonstraram que simplesmente colocando o material fino em cima de guias de ondas de silício passivos, eles podem mudar a fase da luz tão fortemente quanto os moduladores de fase de silício existentes, mas com perda ótica e consumo de energia muito mais baixos.
Ilustração de um ressonador de micro-anel integrado com base na cavidade óptica de baixa perda com material semicondutor 2D no topo do guia de onda. Crédito:Ipshita Datta e Aseema Mohanty, Lipson Nanophotonics Group / Columbia Engineering
"A modulação de fase em comunicação óptica coerente continua sendo um desafio de escala, devido à alta perda óptica que foi associada à mudança de fase, "diz Lipson." Agora encontramos um material que pode mudar apenas a fase, fornecendo-nos outro caminho para expandir a largura de banda das tecnologias ópticas. "
As propriedades ópticas dos materiais semicondutores 2-D, como os dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), são conhecidos por mudar drasticamente com a injeção de portador livre (dopagem) perto de suas ressonâncias excitônicas (picos de absorção). Contudo, muito pouco se sabe sobre o efeito do doping nas propriedades ópticas de TMDs em comprimentos de onda de telecomunicações, longe dessas ressonâncias excitônicas, onde o material é transparente e, portanto, pode ser aproveitado em circuitos fotônicos.
A equipe Columbia, que incluiu James Hone, Wang Fong-Jen Professor de Engenharia Mecânica na Columbia Engineering, e Dimitri Basov, professor de física na universidade, sondou a resposta eletro-óptica do TMD integrando a monocamada semicondutora no topo de uma cavidade óptica de nitreto de silício de baixa perda e dopando a monocamada usando um líquido iônico. Eles observaram uma grande mudança de fase com o doping, enquanto a perda óptica mudou minimamente na resposta de transmissão da cavidade do anel. Eles mostraram que a mudança de fase induzida por dopagem em relação à mudança na absorção para TMDs em monocamada é de aproximadamente 125, que é significativamente maior do que o observado em materiais comumente empregados para moduladores fotônicos de silício, incluindo Si e III-V em Si, ao mesmo tempo que é acompanhado por uma perda de inserção insignificante.
"Somos os primeiros a observar uma forte mudança eletro-refrativa nessas monocamadas finas, "diz o autor principal do jornal, Ipshita Datta, um Ph.D. estudante com Lipson. "Mostramos a modulação de fase óptica pura utilizando uma plataforma de guia de onda composta de nitreto de silício de baixa perda (SiN) -TMD na qual o modo óptico do guia de onda interage com a monocamada. simplesmente colocando essas monocamadas em guias de onda de silício, podemos mudar a fase na mesma ordem de magnitude, mas em 10.000 vezes menor dissipação de energia elétrica. Isso é extremamente encorajador para o dimensionamento de circuitos fotônicos e para LIDAR de baixa potência. "
Os pesquisadores estão continuando a sondar e entender melhor o mecanismo físico subjacente para o forte efeito eletrorrefrativo. Eles estão atualmente aproveitando seus moduladores de fase de baixa perda e baixa potência para substituir os deslocadores de fase tradicionais, e, portanto, reduz o consumo de energia elétrica em aplicações de grande escala, como matrizes ópticas de fase, e circuitos neurais e quânticos.
