Illustration d'un interféromètre optique intégré avec des monocouches semi-conductrices telles que des TMD sur les deux bras de l'interféromètre en nitrure de silicium (SiN). On peut sonder les propriétés électro-optiques de la monocouche avec une grande précision en utilisant ces interféromètres optiques sur puce. Crédit :Ipshita Datta et Aseema Mohanty, Lipson Nanophotonics Group/Columbia Engineering
Manipulation optique à l'échelle nanométrique, ou nanophotonique, est devenu un domaine de recherche critique, alors que les chercheurs cherchent des moyens de répondre à la demande toujours croissante de traitement de l'information et de communication. La capacité de contrôler et de manipuler la lumière à l'échelle nanométrique conduira à de nombreuses applications, notamment la communication de données, imagerie, variant, sentir, spectroscopie, et les circuits quantiques et neuronaux (pensez au LIDAR - détection et télémétrie de la lumière - pour les voitures autonomes et la vidéo à la demande plus rapide, par exemple).
Aujourd'hui, le silicium est devenu la plate-forme photonique intégrée préférée en raison de sa transparence aux longueurs d'onde des télécommunications, capacité de modulation électro-optique et thermo-optique, et sa compatibilité avec les techniques de fabrication de semi-conducteurs existantes. Mais, tandis que la nanophotonique sur silicium a fait de grands progrès dans les domaines des communications de données optiques, réseaux phasés, LIDAR, et circuits quantiques et neuronaux, l'intégration à grande échelle de la photonique dans ces systèmes suscite deux préoccupations majeures :leur besoin sans cesse croissant de faire évoluer la bande passante optique et leur consommation d'énergie électrique élevée.
Les modulateurs de phase en silicium massif existants peuvent changer la phase d'un signal optique, mais ce processus se fait au détriment soit d'une perte optique élevée (modulation électro-optique) soit d'une consommation électrique élevée (modulation thermo-optique). Une équipe de l'Université Columbia, dirigé par Michal Lipson, Eugene Higgins professeur de génie électrique et professeur de physique appliquée à Columbia Engineering, ont annoncé avoir découvert une nouvelle façon de contrôler la phase de la lumière à l'aide de matériaux 2D - des matériaux atomiquement minces, 0,8 nanomètre, ou 1/100, 000 la taille d'un cheveu humain sans changer son amplitude, à une dissipation de puissance électrique extrêmement faible.
Dans cette nouvelle étude, publié aujourd'hui par Photonique de la nature , les chercheurs ont démontré qu'en plaçant simplement le matériau mince sur des guides d'ondes passifs en silicium, ils pourraient changer la phase de la lumière aussi fortement que les modulateurs de phase au silicium existants, mais avec une perte optique et une consommation d'énergie beaucoup plus faibles.
Illustration d'une cavité optique à faible perte basée sur un résonateur à micro-anneau intégré avec un matériau semi-conducteur 2D au-dessus du guide d'ondes. Crédit :Ipshita Datta et Aseema Mohanty, Lipson Nanophotonics Group/Columbia Engineering
"La modulation de phase dans la communication optique cohérente est restée un défi à l'échelle, en raison de la perte optique élevée associée au changement de phase, " dit Lipson. " Maintenant, nous avons trouvé un matériau qui ne peut changer que la phase, nous offrant une autre possibilité d'étendre la bande passante des technologies optiques. »
Les propriétés optiques des matériaux semi-conducteurs 2-D tels que les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) sont connues pour changer considérablement avec l'injection de porteurs libres (dopage) près de leurs résonances excitoniques (pics d'absorption). Cependant, on sait très peu de choses sur l'effet du dopage sur les propriétés optiques des TMD aux longueurs d'onde des télécommunications, loin de ces résonances excitoniques, où le matériau est transparent et peut donc être exploité dans les circuits photoniques.
L'équipe de Colombie, qui comprenait James Hone, Wang Fong-Jen Professeur de génie mécanique à Columbia Engineering, et Dimitri Basov, professeur de physique à l'Université, ont sondé la réponse électro-optique du TMD en intégrant la monocouche semi-conductrice au-dessus d'une cavité optique en nitrure de silicium à faible perte et en dopant la monocouche à l'aide d'un liquide ionique. Ils ont observé un grand changement de phase avec le dopage, tandis que la perte optique a changé de manière minimale dans la réponse de transmission de la cavité annulaire. Ils ont montré que le changement de phase induit par le dopage par rapport au changement d'absorption pour les TMD monocouches est d'environ 125, ce qui est nettement supérieur à celui observé dans les matériaux couramment employés pour les modulateurs photoniques au silicium notamment Si et III-V sur Si, tout en s'accompagnant simultanément d'une perte d'insertion négligeable.
"Nous sommes les premiers à observer un fort changement électro-réfractif dans ces monocouches minces, " déclare l'auteur principal du journal, Ipshita Datta, un doctorat étudiant avec Lipson. "Nous avons montré une modulation de phase optique pure en utilisant une plate-forme de guide d'ondes composite à faible perte de nitrure de silicium (SiN)-TMD dans laquelle le mode optique du guide d'ondes interagit avec la monocouche. Alors maintenant, en plaçant simplement ces monocouches sur des guides d'ondes en silicium, on peut changer la phase du même ordre de grandeur, mais à 10000 fois moins de puissance électrique dissipée. C'est extrêmement encourageant pour la mise à l'échelle des circuits photoniques et pour le LIDAR de faible puissance."
Les chercheurs continuent de sonder et de mieux comprendre le mécanisme physique sous-jacent du fort effet électroréfractif. Ils tirent actuellement parti de leurs modulateurs de phase à faible perte et à faible puissance pour remplacer les déphaseurs traditionnels, et donc réduire la consommation d'énergie électrique dans les applications à grande échelle telles que les réseaux optiques à commande de phase, et les circuits neuronaux et quantiques.
