Ultrakompakte integrierte photonische Geräte könnten zu neuen optischen Technologien führen

Photonische integrierte Schaltungen sind für viele Technologien unerlässlich, darunter faseroptische Kommunikation, Kartierungssysteme und Biosensoren.

Diese Schaltkreise – die Photonen anstelle von Elektronen verwenden – verwenden optische Isolatoren, die es Photonen ermöglichen, sich nur in eine Richtung zu bewegen, wodurch verhindert wird, dass Licht wieder in das System eintritt und es destabilisiert. Um Licht in eine Richtung zu lenken, sind jedoch oft große Magnete erforderlich, was es schwierig macht, diese Schaltkreise im kleinen Maßstab herzustellen.

Forscher der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) der University of Chicago haben eine neue Methode entwickelt, um Licht in einem winzigen Maßstab in eine Richtung zu lenken. Durch die Kopplung von in einem nanophotonischen Wellenleiter eingeschlossenem Licht mit einem atomar dünnen, zweidimensionalen Halbleiter nutzten die Forscher die Eigenschaften sowohl des Lichts als auch des Materials, um Photonen in eine Richtung zu leiten.

Das Ergebnis – eine kleine, abstimmbare photonische On-Chip-Schnittstelle – könnte zu kleineren photonischen integrierten Schaltkreisen führen, die leichter in moderne Technologien integriert werden könnten, darunter Computersysteme und selbstfahrende Autos.

„Wir sehen diese Forschung als Wegbereiter für eine ganz neue Klasse integrierter photonischer Schaltkreise“, sagte Asst. Prof. Alex High, der die Forschung mit den Doktoranden Amy Butcher und Robert Shreiner und dem Postdoktoranden Kai Hao leitete. Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Naturphotonik.

Kopplung von Licht mit einem 2-D-Material

In elektronischen Schaltkreisen bewegen sich Elektronen durch Drähte, um Energie zu übertragen. Photonische integrierte Schaltkreise funktionieren ähnlich, aber statt Elektronen in Drähten wird Licht entlang Wellenleitern geleitet.

Um ein neues Element für photonische Schaltkreise zu schaffen, verbanden High und sein Team ein zweidimensionales Material – Wolframdiselenid – mit einem photonischen Wellenleiter. Die einzigartigen Eigenschaften der Bandstruktur des Materials ermöglichen es ihm, je nach Helizität der Polarisation des Lichts unterschiedlich mit Licht zu interagieren. In nanophotonischen Strukturen, in denen Licht auf unterhalb seiner Wellenlänge beschränkt ist, entsteht auf natürliche Weise eine zirkulare Polarisation, und die Helizität ist an die Ausbreitungsrichtung des Lichts gebunden.

Dies bedeutet, dass vom Wolframdiselenid emittiertes Licht in einer Vorzugsrichtung in den Wellenleiter eingekoppelt wird. Das Team kann diese vorgespannte Kopplung auch ein- und ausschalten, indem es dem System Elektronen hinzufügt, wodurch ein abstimmbarer Emissionsrouter auf einer winzigen Längenskala im Mikrometerbereich entsteht.

„Wir haben eine skalierbare Methode entwickelt, um Photonik und 2-D-Halbleiter so zusammenzubringen, dass neue Bedienknöpfe hinzugefügt werden und die hohe Qualität des empfindlichen Materials erhalten bleibt“, sagte Shreiner. „Diese Schnittstelle öffnet neue Türen für die Entwicklung ultrakompakter photonischer Einweggeräte.“

Alltagsanwendungen und Spitzenforschung voranbringen

Dieses kleinmaßstäbliche Design und vielseitige Herstellungsverfahren werden dazu beitragen, solche photonischen Elemente in bestehende optoelektronische Systeme zu integrieren. Eine naheliegende Anwendung wären On-Chip-Laser, die in selbstfahrenden Autos als Teil eines LIDAR-Navigationssystems (einem System, das Laserpulse zur Entfernungsmessung verwendet) Anwendung finden könnten. Das photonische Element könnte als On-Chip-Isolator konfiguriert werden, was einen kompakten Schutz des Lasersystems ermöglicht.

Letztendlich könnten solche photonischen Geräte in zukünftige optische Computer integriert werden, die mit Licht statt mit Elektronen rechnen, weniger Energie verbrauchen und weniger Wärme erzeugen.

„Wir nutzen Photonik bereits, um Informationen in Glasfasernetzen im ganzen Land zu transportieren, aber Fortschritte wie dieser könnten dazu beitragen, den Lichtfluss im Nanomaßstab vollständig zu kontrollieren und so optische On-Chip-Netzwerke zu realisieren“, sagte Hao.