近日，加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）的科學(xué)家們通過二硫化鎢研制出目前世界上最薄的光學(xué)器件——僅三層原子厚大小的波導(dǎo)。相關(guān)成果發(fā)表在8月12日的《自然?納米技術(shù)》雜志上。
研究人員CHAWINA DE-EKNAMKUL 在打造原子厚度的波導(dǎo)
光波導(dǎo)（optical waveguide），是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)技術(shù)的重要組成部分，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。常見應(yīng)用于通信系統(tǒng)或者傳感器的光纖。
加州大學(xué)圣地亞哥分校的這款新型波導(dǎo)，厚度約為 6 埃米（1 埃米=0.1納米），比典型光纖薄 1 萬倍，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（兩層硫原子中間夾一層鎢原子）組成，單層由一系列納米孔圖案形成光子晶體。
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
這種單層晶體的特殊之處在于，其在室溫下可支持被稱為激子的電子—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折射率的 4 倍。相比之下，具有相同厚度的另一種材料不具備如此高的折射率。當(dāng)光線通過晶體傳播時(shí)，它會(huì)被內(nèi)部捕獲并通過全內(nèi)反射沿著平面?zhèn)鲗?dǎo)。這是光波導(dǎo)如何工作的基本機(jī)制。
該波導(dǎo)的另一個(gè)特征是可在可見光譜中傳導(dǎo)光。蝕刻到晶體中的納米孔允許一些光垂直于平面散射，從而得以觀察和探測(cè)。這個(gè)孔陣列產(chǎn)生的周期性結(jié)構(gòu)，使晶體還能作為諧振器。該系統(tǒng)不僅可以共振地增強(qiáng)光物質(zhì)相互作用，還可作為二階光柵耦合器將光耦合到光波導(dǎo)中。
二硫化鎢制世界上最薄光波導(dǎo)
研究人員使用先進(jìn)的微觀和納米制造技術(shù)來制造波導(dǎo)，首先構(gòu)建波導(dǎo)的基板——由硅框架支撐的薄氮化硅膜。將納米尺寸的孔陣列圖案化到膜中以產(chǎn)生模板，再將單層二硫化鎢晶體沖壓到膜上。然后通過膜將離子送入晶體中蝕刻相同的孔圖案，最后輕輕地蝕刻掉氮化硅膜，使晶體懸浮在硅框架上。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。
此項(xiàng)研究成果可將現(xiàn)有光學(xué)器件的尺寸縮小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，或帶來更高密度、更高容量的光子芯片。
