sciencedaily.com網站8月12日報導，美國加州大學聖地牙哥分校（下文簡稱UCSD）的工程師們開發了世界上最薄的光學設備—由3層原子組成的薄層波導。這項工作證明了將光學設備繼續縮小几個數量級是可行的。這將對高密度、高容量光子晶片的發展產生巨大的促進作用。相關成果刊登於《自然·納米技術》雜誌。
UCSD納米工程與電氣工程教授、論文作者Ertugrul Cubukcu說：「從根本上講，我們證實了光波導的厚度極限在哪裡。」新型波導的厚度僅約6埃。這一厚度是普通光纖的萬分之一，是集成光子電路使用的光波導厚度的500分之一。波導主要是由懸浮在矽基框架上的單層二硫化鎢構成。單層材料還具有形成光子晶體的納米級孔陣列。單層晶體的特別之處在於，它在室溫下支持電子-空穴對（即激子）。激子可以產生強烈的光學反應，使晶體的折射率比環繞其表面的空氣的折射率高4倍。光通過晶體時會被困在其內部，並通過全內反射沿平面運動。這是光波導工作的基本原理。
Cubukcu等開發的超薄波導的另一個特性是能夠在可見光譜中引導光。Cubukcu說：「在如此薄的材料中實現光引導非常具有挑戰性。雖然之前已經有研究人員利用同樣很薄的石墨烯材料演示過波導，但它的範圍僅限於紅外波長區，而我們首次在可見光區演示了波導。」蝕刻在晶體上的納米孔可使部分光垂直於平面散射，這樣就能使研究人員進行觀察和探測。納米孔陣列形成的的周期性結構，可以使晶體同時作為諧振器使用。Cubukcu實驗室博士後研究員、論文第一作者Xingwang Zhang說：「這可能是有史以來最薄的可見光光學諧振器。該系統不僅能通過共振增強光與物質的相互作用，還能作為二階光柵耦合器，將光耦合到光波導中。」
研究人員使用先進的微納米技術製造了波導。UCSD納米工程博士生、論文作者Chawina De-Eknamkul說：「構建這種結構非常具有挑戰性。材料很薄，我們必須設計一種工藝，使其懸浮在矽框架上，並在不破壞框架結構的情況下精確定型。」整個構建過程始於矽框架支撐的氮化矽薄膜。首先，研究人員在氮化矽膜上打出納米尺寸的孔以形成模板；接著，將單層二硫化鎢晶體壓在膜上；隨後，離子穿過薄膜，在晶體上蝕刻出同樣的納米孔；最後，小心去除氮化矽薄膜，使晶體懸浮在矽框架上。由此，研究人員就製造出了一種超薄光波導。
下一階段，研究人員將繼續探索超薄波導的基本特性和物理特性。
科界原創
編譯：雷鑫宇
審稿：西莫
責編：唐林芳
期刊來源：《自然·納米技術》
期刊編號：1748-3387
原文連結：
https://www.sciencedaily.com/releases/2019/08/190812130911.htm
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