最薄的光波導(dǎo)僅在三層原子內(nèi)通道

加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校的工程師開(kāi)發(fā)出了世界上最薄的光學(xué)器件 - 一種三層原子薄的波導(dǎo)。

這項(xiàng)工作證明了將光學(xué)器件縮小到比現(xiàn)在的器件小幾個(gè)數(shù)量級(jí)的尺寸。它可能導(dǎo)致更高密度，更高容量的光子芯片的發(fā)展。研究人員于8月12日在Nature Nanotechnology上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程和電氣工程教授，高級(jí)作者Ertugrul Cubukcu說(shuō)：“從根本上說(shuō)，我們證明了光波導(dǎo)的薄度有多么極限。”

新型波導(dǎo)的厚度約為6埃 - 比典型光纖薄10,000倍，比集成光子電路中的片上光波導(dǎo)薄約500倍。

波導(dǎo)由懸浮在硅框架上的二硫化鎢單層(由夾在兩層硫原子之間的一層鎢原子組成)組成。單層也用一系列納米孔形成圖案，形成光子晶體。

這種單層晶體的特殊之處在于它在室溫下支持稱為激子的電子 - 空穴對(duì)。這些激子產(chǎn)生強(qiáng)烈的光學(xué)響應(yīng)，使晶體的折射率大約是圍繞其表面的空氣的折射率的四倍。相比之下，具有相同厚度的另一種材料不具有高折射率。當(dāng)光線通過(guò)晶體傳播時(shí)，它會(huì)被內(nèi)部捕獲并通過(guò)全內(nèi)反射沿著平面引導(dǎo)。這是光波導(dǎo)如何工作的基本機(jī)制。

波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SEM圖像：懸浮的二硫化鎢單層，用納米尺寸的孔構(gòu)圖。圖片來(lái)源：Cubukcu實(shí)驗(yàn)室

另一個(gè)特征是波導(dǎo)在可見(jiàn)光譜中引導(dǎo)光。“這對(duì)于這種薄的材料來(lái)說(shuō)很難實(shí)現(xiàn)，”Cubukcu說(shuō)。“先前已經(jīng)用石墨烯證明了波導(dǎo)，石墨烯也是原子級(jí)薄的，但是在紅外波長(zhǎng)下。我們首次在可見(jiàn)光區(qū)域進(jìn)行了波導(dǎo)演示。”

蝕刻到晶體中的納米孔允許一些光垂直于平面散射，從而可以觀察和探測(cè)。這個(gè)孔陣列產(chǎn)生周期性結(jié)構(gòu)，使得晶體也成為諧振器。

“這也使它成為用于可見(jiàn)光的最薄的光學(xué)諧振器，無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，”第一作者Xingwang Zhang說(shuō)，他曾在加州大學(xué)圣地亞哥分校的Cubukcu實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博士后研究員。“該系統(tǒng)不僅可以共振地增強(qiáng)光物質(zhì)相互作用，還可以作為二階光柵耦合器將光耦合到光波導(dǎo)中。”

研究人員使用先進(jìn)的微觀和納米制造技術(shù)來(lái)制造波導(dǎo)。納米工程博士Chawina De-Eknamkul說(shuō)，創(chuàng)造這種結(jié)構(gòu)特別具有挑戰(zhàn)性。加州大學(xué)圣地亞哥分校的學(xué)生和該研究的合著者。“材料是原子級(jí)薄的，所以我們必須設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)程，將其懸掛在硅框架上并精確地對(duì)其進(jìn)行圖案處理而不會(huì)破壞它，”她說(shuō)。

該過(guò)程始于由硅框架支撐的薄氮化硅膜。這是構(gòu)建波導(dǎo)的基板。將納米尺寸的孔陣列圖案化到膜中以產(chǎn)生模板。接下來(lái)，將單層二硫化鎢晶體沖壓到膜上。然后通過(guò)膜將離子送入晶體中蝕刻相同的孔圖案。在最后一步中，輕輕地蝕刻掉氮化硅膜，使晶體懸浮在硅框架上。結(jié)果是光波導(dǎo)，其中芯由單層二硫化鎢光子晶體組成，該光子晶體被具有較低折射率的材料(空氣)包圍。