Оптические устройства, которые пропускают свет только в одну сторону, — важный элемент телекоммуникаций, квантовых вычислений и обработки сигналов. Обычно для этого используют магнитооптические материалы вроде гранатов, но они громоздкие и плохо совместимы с кремниевой фотоникой. Ученые из NYU Abu Dhabi под руководством Гхады Душака и Махмуда Расраса предложили новое решение: они интегрировали многослойный 2D-материал CuCrP₂S₆ (CCPS) в кремниевые микрорезонаторы.

Результаты опубликованы в издании Light Science & Applications.

Когда на такой резонатор подают магнитное поле, свет начинает распространяться по-разному в зависимости от направления — за это отвечает особая магнитная структура CCPS. Устройство получилось компактным, с низкими потерями сигнала (0,15–1,8 дБ) и высокой изоляцией (28 дБ на длине волны 1550 нм). Оно работает в стандартном TE-режиме, а значит, не требует дополнительных поляризационных преобразователей — это упрощает интеграцию в чипы.

Размеры устройства — всего 22–55 мкм в длину при толщине слоя CCPS 39–62 нм. Потери минимальны, изоляция высокая, что делает его пригодным для оптических изоляторов, модуляторов и сложных фотонных схем.

Что удалось достичь:

• Низкие потери сигнала — меньше 2 дБ.
• Изоляция до 28 дБ — свет в обратном направлении почти не проходит.
• Компактность — легко встроить в кремниевые чипы.

Что дальше: Ученые планируют улучшить интеграцию материала, уменьшить размеры и расширить рабочий диапазон.

Наше исследование — шаг к компактным и эффективным однонаправленным оптическим устройствам, — говорит Гхада Душак.

Такие технологии могут:

• Уменьшить размеры оптических изоляторов в чипах.
• Снизить энергопотребление в дата-центрах.
• Упростить создание квантовых компьютеров, где важно управлять направлением света.

Если технологию доведут до массового производства, это удешевит компоненты для оптоволоконных сетей и ускорит передачу данных.

Пока неясно, насколько стабилен CCPS при длительной работе и как он поведет себя в промышленных условиях. Магнитное поле — дополнительная сложность: если его нужно постоянно поддерживать, это может увеличить энергопотребление.

Ранее ученые открыли материал с большим невзаимным поглощением света.