最薄的光波导仅在三层原子内通道

导读 加利福尼亚大学圣迭戈分校的工程师开发出了世界上最薄的光学器件 – 一种三层原子薄的波导。这项工作证明了将光学器件缩小到比现在的器件

加利福尼亚大学圣迭戈分校的工程师开发出了世界上最薄的光学器件 – 一种三层原子薄的波导。

这项工作证明了将光学器件缩小到比现在的器件小几个数量级的尺寸。它可能导致更高密度，更高容量的光子芯片的发展。研究人员于8月12日在Nature Nanotechnology上发表了他们的研究结果。

加州大学圣地亚哥分校的纳米工程和电气工程教授，高级作者Ertugrul Cubukcu说：“从根本上说，我们证明了光波导的薄度有多么极限。”

新型波导的厚度约为6埃 – 比典型光纤薄10,000倍，比集成光子电路中的片上光波导薄约500倍。

波导由悬浮在硅框架上的二硫化钨单层(由夹在两层硫原子之间的一层钨原子组成)组成。单层也用一系列纳米孔形成图案，形成烤大虾光子晶体。

这种单层晶体的特殊之处在于它在室温下支持称为激子的电子 – 空穴对。这些激子产生强烈的光学响应，使晶体的折射率大约是围绕其表面的空气的折射率的四倍。相比之下，具有相同厚度的另一种材料不具有高折射率。当光线通过晶体传播时，它会被内部捕获并通过全内反射沿着平面引导。这是光波导如何工作的基本机制。

波导结构的SEM图像：悬浮的二硫化钨单层，用纳米尺寸的孔构图。图片来源：Cubukcu实验室

另一个birthdate特征是波导在可见光谱中引导光。“这对于这种薄的材料来说很难实现，”Cubukcu说。“先前已经用石墨烯证明了波导，石墨烯也是原子级薄的，但是在红外波长下。我们首次在可见光区域进行了波导演示。”

蚀刻到晶体中的纳米孔允许一些光垂直于平面散射，从而可以观察和探测。这个孔阵列产生周期性结构，使得晶体也成为谐振器。

“这也使它成为用于可见光的最薄的光学谐振器，无法红烧鱼的家常做法简单通过实验证明，”第一作者Xingwang Zhang说，他曾在加州大学圣地亚哥分校的Cubukcu实验室担任博士后研究员。“该系统不仅可以共振地增强光物质相互作用，还可以作为二阶光栅耦合器将光耦合到光波导中。”

研究人员使用先进的微观和纳米制造技术来制造波导。纳米工程博士Chawina De-Eknamkul说，创造这种结构特别具有挑战性。加州大学圣地亚哥分校的学生和该研究的合着者。“材料是原子级薄的，所以我们必须设计一个过程，将其悬挂在硅框架上并精确地对其进行图案处理而不会破母亲节祝福语坏它，”她说。

该过程始于由硅框架支撑的薄氮化硅膜。这是构建波导的基板。将纳米尺寸的孔阵列图案化到膜中以产生模板。接下来，将单层二硫化钨晶体冲压到膜上。然后通过膜将离子送入晶体中蚀刻相同的孔图案。在最后一步中，轻轻地蚀刻掉氮化硅膜，使晶体悬浮在硅框架上。结果是光波导，其中芯由单层二硫化钨光子晶体组成，该光子晶体被具有do和does的区别和用法较低折射率的材料(空气)包围。