導讀

據美國加州大學圣迭戈分校官網近日報道，該校工程師開發出了世界上最薄的光學器件：一種只有三層原子厚的波導。

背景

光波導（optical waveguide），是引導光波在其中傳播的介質裝置。光波導的傳輸原理不同于金屬封閉波導，在不同折射率的介質分界面上，電磁波的全反射現象使光波局限在波導及其周圍有限區域內傳播。

（圖片來源：RMIT）

其實，波導技術并不是什么新發明。例如，光通信系統中常見的光纖，就是波導的一種。除了通信應用之外，由于光纖的傳輸特性對外界溫度以及壓力等因素敏感，因此它還可以制成傳感器，用于測量溫度、壓力、聲場等物理量。

科學家利用光纖感知周圍的材料，例如可以分辨光纖接觸的是液體還是固體（圖片來源：Desmond Chow / EPFL）

創新

近日，美國加州大學圣迭戈分校的工程師們開發出了世界上最薄的光學器件：一種只有三層原子厚的波導。

研究人員們于8月12日將他們的成果發表在《自然·納米技術（Nature Nanotechnology）》期刊上。

加州大學圣迭戈分校納米工程與電氣工程系教授、論文高級作者 Ertugrul Cubukcu 表示：“從根本上說，我們展示了光波導可被打造的薄度極限。”

技術

這種新型波導的厚度大約為6埃米（1埃米等于0.1納米），比典型光纖薄1萬倍以上，比集成光子電路中的片上光波導薄約500倍。

波導是由懸掛在硅框架上的二硫化鎢單層（由一層鎢原子像三明治一樣夾在兩層硫原子之間）組成。這個單層也刻有納米孔陣列圖案，形成光子晶體。

波導結構的掃描電子顯微鏡圖像：懸掛的二硫化鎢單層刻有納米孔。（圖片來源：加州大學圣迭戈分校）

這個單層晶體的特殊之處在于，支持室溫條件下的“電子-空穴對”，也稱為“激子”。這些激子產生強烈的光學響應，賦予晶體四倍于其表面周圍空氣的折射率。相比而言，另一種具有同樣厚度的材料就沒有如此高的折射率。當光線通過晶體時，會產生全內反射，束縛于晶體中，并被引導沿著平面傳播。這就是光波導工作的基本機制。

另外一項特殊功能就是，光波導引導可見光波段的光線。Cubukcu 表示：“在這么薄的材料中實現這個功能是極具挑戰性的。之前，通過石墨烯來演示的波導也是原子薄度的，但是處于近紅外線波段。我們首次演示了處于可見光波段的波導。”

蝕刻在晶體中的納米孔，使一些光線垂直于平面散射。這樣一來，光線就可以被觀察與探測到。這些納米孔陣列制造出一種周期性結構，使得晶體也可以成為諧振器。

論文第一作者、參加該項目的加州大學圣迭戈分校 Cubukcu 實驗室的博士后研究員 Xingwang Zhang 表示：“這也使之成為迄今為止通過實驗方法演示的、用于可見光的最薄光學諧振器。該系統不僅通過共振的方法增強光與物質的相互作用，也可作為二階光柵耦合器來將光線耦合到光波導中。

懸掛在空氣中并刻有納米孔陣列方陣的二硫化鎢單層示意圖。在激光激發下，單層產生光致發光。一部分的光線耦合到單層中，被引導沿著材料傳播。在納米孔陣列中，折射率的周期性調制引起一小部分光線跑出材料平面，從而使光線能因導模共振而被觀察到。（圖片來源：加州大學圣迭戈分校）

研究人員們采用了先進的微納制造技術來創造波導。加州大學圣迭戈分校納米工程系博士研究所、論文合著者之一的 Chawina De-Eknamkul 表示，創造這種結構是極具挑戰性的。她說：“這種材料是原子薄度的，所以我們必須設計一種工藝，將它懸掛到硅框架上，并在不打破它的同時精準地刻畫它。”

Chawina De-Eknamkul 在打造原子厚度的波導。（圖片來源：加州大學圣迭戈分校）

這項工藝開始于由硅框架支撐的氮化硅薄膜。它是基底，波導在其上構造。納米孔陣列被刻畫到薄膜中，創造出一個模板。接下來，二硫化鎢晶體單層被轉移到薄膜上。然后，通過薄膜的離子在晶體中刻畫出同樣的納米孔圖案。最后一步，氮化硅薄膜被緩緩地腐蝕掉，留下懸掛于硅框架之上的晶體。結果就生成了一個光波導，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。

（圖片來源：加州大學圣迭戈分校）

價值

這項研究為將光學器件縮小至比當今器件小幾個數量級的尺寸提供了概念論證，或將帶來更高密度、更高容量的光子芯片。

未來

團隊將繼續探索有關波導的基本特性和物理知識。