最薄的光學(xué)器件：一種只有三層原子厚的波導(dǎo)

導(dǎo)讀

據(jù)美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該校工程師開(kāi)發(fā)出了世界上最薄的光學(xué)器件：一種只有三層原子厚的波導(dǎo)。

背景

光波導(dǎo)（optical waveguide），是引導(dǎo)光波在其中傳播的介質(zhì)裝置。光波導(dǎo)的傳輸原理不同于金屬封閉波導(dǎo)，在不同折射率的介質(zhì)分界面上，電磁波的全反射現(xiàn)象使光波局限在波導(dǎo)及其周圍有限區(qū)域內(nèi)傳播。

（圖片來(lái)源：RMIT）

其實(shí)，波導(dǎo)技術(shù)并不是什么新發(fā)明。例如，光通信系統(tǒng)中常見(jiàn)的光纖，就是波導(dǎo)的一種。除了通信應(yīng)用之外，由于光纖的傳輸特性對(duì)外界溫度以及壓力等因素敏感，因此它還可以制成傳感器，用于測(cè)量溫度、壓力、聲場(chǎng)等物理量。

科學(xué)家利用光纖感知周圍的材料，例如可以分辨光纖接觸的是液體還是固體（圖片來(lái)源：Desmond Chow / EPFL）

創(chuàng)新

近日，美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校的工程師們開(kāi)發(fā)出了世界上最薄的光學(xué)器件：一種只有三層原子厚的波導(dǎo)。

研究人員們于8月12日將他們的成果發(fā)表在《自然·納米技術(shù)（Nature Nanotechnology）》期刊上。

加州大學(xué)圣迭戈分校納米工程與電氣工程系教授、論文高級(jí)作者 Ertugrul Cubukcu 表示：“從根本上說(shuō)，我們展示了光波導(dǎo)可被打造的薄度極限。”

技術(shù)

這種新型波導(dǎo)的厚度大約為6埃米（1埃米等于0.1納米），比典型光纖薄1萬(wàn)倍以上，比集成光子電路中的片上光波導(dǎo)薄約500倍。

波導(dǎo)是由懸掛在硅框架上的二硫化鎢單層（由一層鎢原子像三明治一樣夾在兩層硫原子之間）組成。這個(gè)單層也刻有納米孔陣列圖案，形成光子晶體。

波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖像：懸掛的二硫化鎢單層刻有納米孔。（圖片來(lái)源：加州大學(xué)圣迭戈分校）

這個(gè)單層晶體的特殊之處在于，支持室溫條件下的“電子-空穴對(duì)”，也稱為“激子”。這些激子產(chǎn)生強(qiáng)烈的光學(xué)響應(yīng)，賦予晶體四倍于其表面周圍空氣的折射率。相比而言，另一種具有同樣厚度的材料就沒(méi)有如此高的折射率。當(dāng)光線通過(guò)晶體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生全內(nèi)反射，束縛于晶體中，并被引導(dǎo)沿著平面?zhèn)鞑?。這就是光波導(dǎo)工作的基本機(jī)制。

另外一項(xiàng)特殊功能就是，光波導(dǎo)引導(dǎo)可見(jiàn)光波段的光線。Cubukcu 表示：“在這么薄的材料中實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能是極具挑戰(zhàn)性的。之前，通過(guò)石墨烯來(lái)演示的波導(dǎo)也是原子薄度的，但是處于近紅外線波段。我們首次演示了處于可見(jiàn)光波段的波導(dǎo)?！?/p>

蝕刻在晶體中的納米孔，使一些光線垂直于平面散射。這樣一來(lái)，光線就可以被觀察與探測(cè)到。這些納米孔陣列制造出一種周期性結(jié)構(gòu)，使得晶體也可以成為諧振器。

論文第一作者、參加該項(xiàng)目的加州大學(xué)圣迭戈分校 Cubukcu 實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員 Xingwang Zhang 表示：“這也使之成為迄今為止通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法演示的、用于可見(jiàn)光的最薄光學(xué)諧振器。該系統(tǒng)不僅通過(guò)共振的方法增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，也可作為二階光柵耦合器來(lái)將光線耦合到光波導(dǎo)中。

懸掛在空氣中并刻有納米孔陣列方陣的二硫化鎢單層示意圖。在激光激發(fā)下，單層產(chǎn)生光致發(fā)光。一部分的光線耦合到單層中，被引導(dǎo)沿著材料傳播。在納米孔陣列中，折射率的周期性調(diào)制引起一小部分光線跑出材料平面，從而使光線能因?qū)９舱穸挥^察到。（圖片來(lái)源：加州大學(xué)圣迭戈分校）

研究人員們采用了先進(jìn)的微納制造技術(shù)來(lái)創(chuàng)造波導(dǎo)。加州大學(xué)圣迭戈分校納米工程系博士研究所、論文合著者之一的 Chawina De-Eknamkul 表示，創(chuàng)造這種結(jié)構(gòu)是極具挑戰(zhàn)性的。她說(shuō)：“這種材料是原子薄度的，所以我們必須設(shè)計(jì)一種工藝，將它懸掛到硅框架上，并在不打破它的同時(shí)精準(zhǔn)地刻畫(huà)它?！?/p>

Chawina De-Eknamkul 在打造原子厚度的波導(dǎo)。（圖片來(lái)源：加州大學(xué)圣迭戈分校）

這項(xiàng)工藝開(kāi)始于由硅框架支撐的氮化硅薄膜。它是基底，波導(dǎo)在其上構(gòu)造。納米孔陣列被刻畫(huà)到薄膜中，創(chuàng)造出一個(gè)模板。接下來(lái)，二硫化鎢晶體單層被轉(zhuǎn)移到薄膜上。然后，通過(guò)薄膜的離子在晶體中刻畫(huà)出同樣的納米孔圖案。最后一步，氮化硅薄膜被緩緩地腐蝕掉，留下懸掛于硅框架之上的晶體。結(jié)果就生成了一個(gè)光波導(dǎo)，其核心是由圍繞著一種較低折射率材料（空氣）的二硫化鎢單層光子晶體組成。

（圖片來(lái)源：加州大學(xué)圣迭戈分校）

價(jià)值

這項(xiàng)研究為將光學(xué)器件縮小至比當(dāng)今器件小幾個(gè)數(shù)量級(jí)的尺寸提供了概念論證，或?qū)?lái)更高密度、更高容量的光子芯片。

未來(lái)

團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)探索有關(guān)波導(dǎo)的基本特性和物理知識(shí)。