光子集成电路是许多技术的关键，包括光纤通信、测绘系统和生物传感器。

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这些电路使用光子而不是电子，采用光学隔离器，允许光子仅沿一个方向行进，从而防止光重新进入系统并破坏其稳定性。但是，一个方向的导光通常需要大磁铁，这使得这些电路难以在小尺度上创建。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）的研究人员已经开发出一种在小尺度上将光引导到一个方向的新方法。通过将限制在纳米光子波导中的光与原子薄的二维半导体耦合，研究人员利用光和材料的特性将光子引导到一个方向。

结果表明，一个小型的、可调谐的片上光子接口可能导致更小的光子集成电路，这些集成电路可以更容易地集成到现代技术中，包括计算系统和自动驾驶汽车。

手性nanophotonic-TMDC接口。

“我们认为这项研究为一种全新的集成光子电路铺平了道路。”助理教授Alex High说，他与研究生Amy Butcher和Robert Shreiner以及博士后Kai Hao一起领导了这项研究。研究结果发表在《自然光子学》杂志上。

将光与 2-D 材料耦合

在电子电路中，电子通过导线移动以传递能量。光子集成电路的工作原理类似，但不是导线中的电子，而是沿着波导引导。

为了创造光子电路的新元件，High和他的团队将二维材料二硒化钨与光子波导连接在一起。材料带结构的独特性质使其能够根据光偏振的螺旋度以不同的方式与光相互作用。在纳米光子结构中，光被限制在其波长以下，圆偏振自然产生，螺旋度被锁定在光的传播方向上。

这意味着从二硒化钨发出的光将沿着首选方向耦合到波导中。该团队还可以通过向系统添加电子来打开和关闭这种偏置耦合，从而在微米级的长度尺度上创建可调发射路由器。

接口静电调谐。

"我们已经找到了一种可扩展的方法，可以将光子学和2D半导体放在一起，以增加新的控制旋钮并保持敏感材料的高质量，"Shreiner说。"这个接口为设计超紧凑的单向光子器件打开了新的大门。

推进日常应用和前沿研究

这种小规模的设计和通用的制造方法将有助于将这些光子元件集成到现有的光电子系统中。一个明显的应用是片上激光器，它可以作为激光雷达导航系统（一种使用激光脉冲测量范围的系统）的一部分在自动驾驶汽车中找到应用。光子元件可以配置为片上隔离器，从而为激光系统提供紧凑的保护。

谷极化的栅极依赖性。

最终，这些类型的光子器件可以集成到未来的光学计算机中，这些计算机将使用光而不是电子进行计算，使用更少的能量并产生更少的热量。

"我们已经使用光子学在光纤网络中在全国范围内传输信息，但这样的进步可以帮助完全控制纳米级的光流，从而实现片上光网络。"Hao说。

来源：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