光子集成電路是許多技術(shù)的關(guān)鍵，包括光纖通信、測繪系統(tǒng)和生物傳感器。

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這些電路使用光子而不是電子，采用光學(xué)隔離器，允許光子僅沿一個(gè)方向行進(jìn)，從而防止光重新進(jìn)入系統(tǒng)并破壞其穩(wěn)定性。但是，一個(gè)方向的導(dǎo)光通常需要大磁鐵，這使得這些電路難以在小尺度上創(chuàng)建。

芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院（PME）的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種在小尺度上將光引導(dǎo)到一個(gè)方向的新方法。通過將限制在納米光子波導(dǎo)中的光與原子薄的二維半導(dǎo)體耦合，研究人員利用光和材料的特性將光子引導(dǎo)到一個(gè)方向。

結(jié)果表明，一個(gè)小型的、可調(diào)諧的片上光子接口可能導(dǎo)致更小的光子集成電路，這些集成電路可以更容易地集成到現(xiàn)代技術(shù)中，包括計(jì)算系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛汽車。

手性nanophotonic-TMDC接口。

“我們認(rèn)為這項(xiàng)研究為一種全新的集成光子電路鋪平了道路。”助理教授Alex High說，他與研究生Amy Butcher和Robert Shreiner以及博士后Kai Hao一起領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。研究結(jié)果發(fā)表在《自然光子學(xué)》雜志上。

將光與 2-D 材料耦合

在電子電路中，電子通過導(dǎo)線移動(dòng)以傳遞能量。光子集成電路的工作原理類似，但不是導(dǎo)線中的電子，而是沿著波導(dǎo)引導(dǎo)。

為了創(chuàng)造光子電路的新元件，High和他的團(tuán)隊(duì)將二維材料二硒化鎢與光子波導(dǎo)連接在一起。材料帶結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性質(zhì)使其能夠根據(jù)光偏振的螺旋度以不同的方式與光相互作用。在納米光子結(jié)構(gòu)中，光被限制在其波長以下，圓偏振自然產(chǎn)生，螺旋度被鎖定在光的傳播方向上。

這意味著從二硒化鎢發(fā)出的光將沿著首選方向耦合到波導(dǎo)中。該團(tuán)隊(duì)還可以通過向系統(tǒng)添加電子來打開和關(guān)閉這種偏置耦合，從而在微米級(jí)的長度尺度上創(chuàng)建可調(diào)發(fā)射路由器。

接口靜電調(diào)諧。

"我們已經(jīng)找到了一種可擴(kuò)展的方法，可以將光子學(xué)和2D半導(dǎo)體放在一起，以增加新的控制旋鈕并保持敏感材料的高質(zhì)量，"Shreiner說。"這個(gè)接口為設(shè)計(jì)超緊湊的單向光子器件打開了新的大門。

推進(jìn)日常應(yīng)用和前沿研究

這種小規(guī)模的設(shè)計(jì)和通用的制造方法將有助于將這些光子元件集成到現(xiàn)有的光電子系統(tǒng)中。一個(gè)明顯的應(yīng)用是片上激光器，它可以作為激光雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)（一種使用激光脈沖測量范圍的系統(tǒng)）的一部分在自動(dòng)駕駛汽車中找到應(yīng)用。光子元件可以配置為片上隔離器，從而為激光系統(tǒng)提供緊湊的保護(hù)。

谷極化的柵極依賴性。

最終，這些類型的光子器件可以集成到未來的光學(xué)計(jì)算機(jī)中，這些計(jì)算機(jī)將使用光而不是電子進(jìn)行計(jì)算，使用更少的能量并產(chǎn)生更少的熱量。

"我們已經(jīng)使用光子學(xué)在光纖網(wǎng)絡(luò)中在全國范圍內(nèi)傳輸信息，但這樣的進(jìn)步可以幫助完全控制納米級(jí)的光流，從而實(shí)現(xiàn)片上光網(wǎng)絡(luò)。"Hao說。

來源：Electrically controllable chirality in a nanophotonic interface witha two-dimensional semiconductor, Nature Photonics (2022). DOI:10.1038/s41566-022-00971-7. www.nature.com/articles/s41566-022-00971-7