sciencedaily.com网站8月12日报道，美国加州大学圣地亚哥分校（下文简称UCSD）的工程师们开发了世界上最薄的光学设备—由3层原子组成的薄层波导。这项工作证明了将光学设备继续缩小几个数量级是可行的。这将对高密度、高容量光子芯片的发展产生巨大的促进作用。相关成果刊登于《自然·纳米技术》杂志。
UCSD纳米工程与电气工程教授、论文作者Ertugrul Cubukcu说：“从根本上讲，我们证实了光波导的厚度极限在哪里。”新型波导的厚度仅约6埃。这一厚度是普通光纤的万分之一，是集成光子电路使用的光波导厚度的500分之一。波导主要是由悬浮在硅基框架上的单层二硫化钨构成。单层材料还具有形成光子晶体的纳米级孔阵列。单层晶体的特别之处在于，它在室温下支持电子-空穴对（即激子）。激子可以产生强烈的光学反应，使晶体的折射率比环绕其表面的空气的折射率高4倍。光通过晶体时会被困在其内部，并通过全内反射沿平面运动。这是光波导工作的基本原理。
Cubukcu等开发的超薄波导的另一个特性是能够在可见光谱中引导光。Cubukcu说：“在如此薄的材料中实现光引导非常具有挑战性。虽然之前已经有研究人员利用同样很薄的石墨烯材料演示过波导，但它的范围仅限于红外波长区，而我们首次在可见光区演示了波导。”蚀刻在晶体上的纳米孔可使部分光垂直于平面散射，这样就能使研究人员进行观察和探测。纳米孔阵列形成的的周期性结构，可以使晶体同时作为谐振器使用。Cubukcu实验室博士后研究员、论文第一作者Xingwang Zhang说：“这可能是有史以来最薄的可见光光学谐振器。该系统不仅能通过共振增强光与物质的相互作用，还能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纳米技术制造了波导。UCSD纳米工程博士生、论文作者Chawina De-Eknamkul说：“构建这种结构非常具有挑战性。材料很薄，我们必须设计一种工艺，使其悬浮在硅框架上，并在不破坏框架结构的情况下精确定型。”整个构建过程始于硅框架支撑的氮化硅薄膜。首先，研究人员在氮化硅膜上打出纳米尺寸的孔以形成模板；接着，将单层二硫化钨晶体压在膜上；随后，离子穿过薄膜，在晶体上蚀刻出同样的纳米孔；最后，小心去除氮化硅薄膜，使晶体悬浮在硅框架上。由此，研究人员就制造出了一种超薄光波导。
下一阶段，研究人员将继续探索超薄波导的基本特性和物理特性。
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编译：雷鑫宇
审稿：西莫
责编：唐林芳
期刊来源：《自然·纳米技术》
期刊编号：1748-3387
原文链接：
https://www.sciencedaily.com/releases/2019/08/190812130911.htm
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