光子集成電路是許多技術的關鍵，包括光纖通信、測繪系統和生物傳感器。

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這些電路使用光子而不是電子，采用光學隔離器，允許光子僅沿一個方向行進，從而防止光重新進入系統并破壞其穩定性。但是，一個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方向的新方法。通過將限制在納米光子波導中的光與原子薄的二維半導體耦合，研究人員利用光和材料的特性將光子引導到一個方向。

結果表明，一個小型的、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，包括計算系統和自動駕駛汽車。

手性nanophotonic-TMDC接口。

“我們認為這項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一起領導了這項研究。研究結果發表在《自然光子學》雜志上。

將光與 2-D 材料耦合

在電子電路中，電子通過導線移動以傳遞能量。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光相互作用。在納米光子結構中，光被限制在其波長以下，圓偏振自然產生，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系統添加電子來打開和關閉這種偏置耦合，從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。

"我們已經找到了一種可擴展的方法，可以將光子學和2D半導體放在一起，以增加新的控制旋鈕并保持敏感材料的高質量，"Shreiner說。"這個接口為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制造方法將有助于將這些光子元件集成到現有的光電子系統中。一個明顯的應用是片上激光器，它可以作為激光雷達導航系統（一種使用激光脈沖測量范圍的系統）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片上隔離器，從而為激光系統提供緊湊的保護。

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，使用更少的能量并產生更少的熱量。

"我們已經使用光子學在光纖網絡中在全國范圍內傳輸信息，但這樣的進步可以幫助完全控制納米級的光流，從而實現片上光網絡。"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