最薄的光学器件：一种只有三层原子厚的波导

导读

据美国加州大学圣迭戈分校官网近日报道，该校工程师开发出了世界上最薄的光学器件：一种只有三层原子厚的波导。

背景

光波导（optical waveguide），是引导光波在其中传播的介质装置。光波导的传输原理不同于金属封闭波导，在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。

（图片来源：RMIT）

其实，波导技术并不是什么新发明。例如，光通信系统中常见的光纤，就是波导的一种。除了通信应用之外，由于光纤的传输特性对外界温度以及压力等因素敏感，因此它还可以制成传感器，用于测量温度、压力、声场等物理量。

科学家利用光纤感知周围的材料，例如可以分辨光纤接触的是液体还是固体（图片来源：Desmond Chow / EPFL）

创新

近日，美国加州大学圣迭戈分校的工程师们开发出了世界上最薄的光学器件：一种只有三层原子厚的波导。

研究人员们于8月12日将他们的成果发表在《自然·纳米技术（Nature Nanotechnology）》期刊上。

加州大学圣迭戈分校纳米工程与电气工程系教授、论文高级作者 Ertugrul Cubukcu 表示：“从根本上说，我们展示了光波导可被打造的薄度极限。”

技术

这种新型波导的厚度大约为6埃米（1埃米等于0.1纳米），比典型光纤薄1万倍以上，比集成光子电路中的片上光波导薄约500倍。

波导是由悬挂在硅框架上的二硫化钨单层（由一层钨原子像三明治一样夹在两层硫原子之间）组成。这个单层也刻有纳米孔阵列图案，形成光子晶体。

波导结构的扫描电子显微镜图像：悬挂的二硫化钨单层刻有纳米孔。（图片来源：加州大学圣迭戈分校）

这个单层晶体的特殊之处在于，支持室温条件下的“电子-空穴对”，也称为“激子”。这些激子产生强烈的光学响应，赋予晶体四倍于其表面周围空气的折射率。相比而言，另一种具有同样厚度的材料就没有如此高的折射率。当光线通过晶体时，会产生全内反射，束缚于晶体中，并被引导沿着平面传播。这就是光波导工作的基本机制。

另外一项特殊功能就是，光波导引导可见光波段的光线。Cubukcu 表示：“在这么薄的材料中实现这个功能是极具挑战性的。之前，通过石墨烯来演示的波导也是原子薄度的，但是处于近红外线波段。我们首次演示了处于可见光波段的波导。”

蚀刻在晶体中的纳米孔，使一些光线垂直于平面散射。这样一来，光线就可以被观察与探测到。这些纳米孔阵列制造出一种周期性结构，使得晶体也可以成为谐振器。

论文第一作者、参加该项目的加州大学圣迭戈分校 Cubukcu 实验室的博士后研究员 Xingwang Zhang 表示：“这也使之成为迄今为止通过实验方法演示的、用于可见光的最薄光学谐振器。该系统不仅通过共振的方法增强光与物质的相互作用，也可作为二阶光栅耦合器来将光线耦合到光波导中。

悬挂在空气中并刻有纳米孔阵列方阵的二硫化钨单层示意图。在激光激发下，单层产生光致发光。一部分的光线耦合到单层中，被引导沿着材料传播。在纳米孔阵列中，折射率的周期性调制引起一小部分光线跑出材料平面，从而使光线能因导模共振而被观察到。（图片来源：加州大学圣迭戈分校）

研究人员们采用了先进的微纳制造技术来创造波导。加州大学圣迭戈分校纳米工程系博士研究所、论文合著者之一的 Chawina De-Eknamkul 表示，创造这种结构是极具挑战性的。她说：“这种材料是原子薄度的，所以我们必须设计一种工艺，将它悬挂到硅框架上，并在不打破它的同时精准地刻画它。”

Chawina De-Eknamkul 在打造原子厚度的波导。（图片来源：加州大学圣迭戈分校）

这项工艺开始于由硅框架支撑的氮化硅薄膜。它是基底，波导在其上构造。纳米孔阵列被刻画到薄膜中，创造出一个模板。接下来，二硫化钨晶体单层被转移到薄膜上。然后，通过薄膜的离子在晶体中刻画出同样的纳米孔图案。最后一步，氮化硅薄膜被缓缓地腐蚀掉，留下悬挂于硅框架之上的晶体。结果就生成了一个光波导，其核心是由围绕着一种较低折射率材料（空气）的二硫化钨单层光子晶体组成。

（图片来源：加州大学圣迭戈分校）

价值

这项研究为将光学器件缩小至比当今器件小几个数量级的尺寸提供了概念论证，或将带来更高密度、更高容量的光子芯片。

未来

团队将继续探索有关波导的基本特性和物理知识。