光子集成電路是許多技術的關(guan) 鍵，包括光纖通信、測繪係統和生物傳(chuan) 感器。

來源：Pixabay/CC0 Public Domain

這些電路使用光子而不是電子，采用光學隔離器，允許光子僅(jin) 沿一個(ge) 方向行進，從(cong) 而防止光重新進入係統並破壞其穩定性。但是，一個(ge) 方向的導光通常需要大磁鐵，這使得這些電路難以在小尺度上創建。

芝加哥大學普利茲(zi) 克分子工程學院（PME）的研究人員已經開發出一種在小尺度上將光引導到一個(ge) 方向的新方法。通過將限製在納米光子波導中的光與(yu) 原子薄的二維半導體(ti) 耦合，研究人員利用光和材料的特性將光子引導到一個(ge) 方向。

結果表明，一個(ge) 小型的、可調諧的片上光子接口可能導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代技術中，包括計算係統和自動駕駛汽車。

手性nanophotonic-TMDC接口。

“我們(men) 認為(wei) 這項研究為(wei) 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(yu) 研究生Amy Butcher和Robert Shreiner以及博士後Kai Hao一起領導了這項研究。研究結果發表在《自然光子學》雜誌上。

將光與(yu) 2-D 材料耦合

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

為(wei) 了創造光子電路的新元件，High和他的團隊將二維材料二硒化鎢與(yu) 光子波導連接在一起。材料帶結構的獨特性質使其能夠根據光偏振的螺旋度以不同的方式與(yu) 光相互作用。在納米光子結構中，光被限製在其波長以下，圓偏振自然產(chan) 生，螺旋度被鎖定在光的傳(chuan) 播方向上。

這意味著從(cong) 二硒化鎢發出的光將沿著首選方向耦合到波導中。該團隊還可以通過向係統添加電子來打開和關(guan) 閉這種偏置耦合，從(cong) 而在微米級的長度尺度上創建可調發射路由器。

接口靜電調諧。

"我們(men) 已經找到了一種可擴展的方法，可以將光子學和2D半導體(ti) 放在一起，以增加新的控製旋鈕並保持敏感材料的高質量，"Shreiner說。"這個(ge) 接口為(wei) 設計超緊湊的單向光子器件打開了新的大門。

推進日常應用和前沿研究

這種小規模的設計和通用的製造方法將有助於(yu) 將這些光子元件集成到現有的光電子係統中。一個(ge) 明顯的應用是片上激光器，它可以作為(wei) 激光雷達導航係統（一種使用激光脈衝(chong) 測量範圍的係統）的一部分在自動駕駛汽車中找到應用。光子元件可以配置為(wei) 片上隔離器，從(cong) 而為(wei) 激光係統提供緊湊的保護。

穀極化的柵極依賴性。

最終，這些類型的光子器件可以集成到未來的光學計算機中，這些計算機將使用光而不是電子進行計算，使用更少的能量並產(chan) 生更少的熱量。

"我們(men) 已經使用光子學在光纖網絡中在全國範圍內(nei) 傳(chuan) 輸信息，但這樣的進步可以幫助完全控製納米級的光流，從(cong) 而實現片上光網絡。"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