如今，由于硅在電信波長上的透明性、電光和熱光調(diào)制的能力以及與現(xiàn)有半導體制造技術(shù)的兼容性，它已經(jīng)成為首選的集成光子學平臺。盡管硅納米光子學在光學的數(shù)據(jù)通信、相控陣、激光雷達以及量子和神經(jīng)電路領(lǐng)域取得了長足進步，但將光子大規(guī)模集成到這些系統(tǒng)中仍存在兩個主要問題：電子系統(tǒng)不斷增長的光帶寬和解決高功耗的需求。

現(xiàn)有的硅體相位調(diào)制器可以改變光信號的相位，但這一過程以高的光損耗(電光調(diào)制)或高的電能消耗(熱光調(diào)制)為代價。近日，哥倫比亞大學尤金·希金斯電氣工程教授兼應(yīng)用物理學教授米甲·利普森團隊宣布，其發(fā)現(xiàn)了一種使用二維材料控制光相位的新方法：原子級薄材料，僅0.8納米，即頭發(fā)絲的1/100,000，可以在不改變其振幅的情況下，實現(xiàn)極低的功耗。

2月24日，根據(jù)發(fā)表在《自然光子學》雜志上的一項新研究，研究人員證明只需將薄材料放在無源硅波導的頂部，它們就可以像現(xiàn)有的硅相位調(diào)制器一樣強烈地改變光的相位，同時光的損耗和功耗可以降低很多。

利普森教授表示：“由于相位變化存在高光學損耗，光學相干通信中的相位調(diào)制仍然是一個很大的挑戰(zhàn)，而現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)了一種只改變相位的材料，這為我們擴展光學技術(shù)的帶寬提供了另一種途徑?！?

半導體二維材料，如過渡金屬雙鹵族化合物(TMDs)，其光學性質(zhì)隨著其激子共振峰(吸收峰)附近的自由載流子注入(摻雜)而發(fā)生顯著變化。然而，在遠離這些激子共振的電信波長處，摻雜對TMDs光學性質(zhì)的影響知之甚少，因為在這些激子共振處，材料是透明的，因此可以在光子電路中利用。

哥倫比亞團隊的成員包括哥倫比亞工程學院機械工程學教授James Hone和大學物理學教授Dimitri Basov，他們通過集成半導體單層的低損耗氮化硅光學腔和摻雜的單層使用離子液體來探究TMD的電光響應(yīng)。他們觀察到了摻雜引起的大相位變化，而光損耗在環(huán)形腔的傳輸響應(yīng)中變化最小。他們表明，相對于單層TMD吸收變化，摻雜引起的相變約為125，這明顯高于目前主流硅光子調(diào)制器(包括Si和Si上的III-V)材料所能觀察到的相變，同時伴隨的插損可忽略不計。

利普森的博士生，即論文的主要作者Ipshita Datta表示“我們是第一批在這些薄單分子層中觀察到強電折射變化的人。我們利用低損耗氮化硅(SiN)-TMD復(fù)合波導平臺實現(xiàn)了純光相位調(diào)制，波導的光模式與單層相互作用。所以現(xiàn)在，只要簡單地把這些單分子膜放在硅波導上，我們就可以改變相同數(shù)量級的相位，但降低了10000倍的電損耗。這對于光子電路和低功率激光雷達的標度是非常鼓舞人心的?！?

研究人員正在繼續(xù)探索和更好地理解強電折射效應(yīng)的潛在物理機制。目前正利用他們的低損耗和低功率相位調(diào)制器來取代傳統(tǒng)的移相器，從而在大規(guī)模應(yīng)用中減少功耗，如光學相控陣、神經(jīng)和量子電路。