有史以来最薄的三原子厚光波导

近日，美国的研究人员成功地制造了最薄的光学器件，其波导只有三个原子层厚。该器件可以推动更高密度的光电芯片的发展。光波导是数据通信技术的关键组成部分，而尽管纳米光学和纳米材料取得了重大进展，但将其缩小到纳米尺度并非易事。实际上，目前商业应用中使用的最薄波导是数百纳米厚，研究人员正在研究实验室中低至50纳米的纳米线波导。

“我们现在已经将这个限制降低到只有三个原子厚度，如此薄的波导，对于光波导的薄薄度的最终限制，可能会在光电芯片上实现更高密度的波导或光学元件——就像更小的晶体管可使电子芯片上密度更高一样。”加州大学圣地亚哥分校的Ertugrul Cubukcu说道，他领导了这项新的研究工作。Cubukcu小组制作的波导只有6埃厚。这使得它比典型的光纤薄104倍，比集成光子电路中的片上光波导薄约500倍。

支持激子的光子晶体

该器件是单层晶体，由夹在悬浮在硅框架上的两层硫原子之间的单层钨原子组成。 研究人员还使用离子蚀刻技术在单层上形成一系列纳米孔，以形成在室温下支持激子（电子——空穴对）的光子晶体。“这些激子产生强烈的光学响应，使晶体的折射率大约是空气的四倍，”Cubukcu解释道。 “当我们通过晶体发光时，它被困在内部，并通过全内反射沿着材料平面引导——这是光波导如何工作的基本机制。

“我们这里面临的主要挑战是模拟一种只有三个原子厚度的悬浮材料，”他告诉物理世界。 “虽然我们采用的材料非常坚固，但它们仍然可能受到宏观力的破坏。 令人高兴的是，我们团队的学生设计了一种处理结构的方法，他们利用牺牲光子晶体模板的方案，即在设备处理的最后阶段将其移除。他说，另一个基本问题是能够探测波导模式。 “就其本质而言，波导在材料平面内引导光线，但在这个极薄的薄层上，很难将引导光与在空间中自由传播的光区分开来。”

为了解决这个问题，研究人员说，他们使用周期性的孔阵列，利用特殊类型的光栅表面波异常，称为共振型wood的异常，将少量光散射出材料平面。这样才能被发现。“因此，在未图案化的波导中引导的光首先耦合到光子晶体区域，然后通过wood异常散射出去，”Cubukcu解释说。

用于可见光的最薄光学谐振器

他补充说，这些孔允许一些光以这种方式从平面散射出来的事实意味着悬浮的晶体也可以兼作光学谐振器。“这也使得该设备成为可见光最薄的光学谐振器，且有望在实验中得到证实。”该研究的第一作者Xingwang Zhang表示，“我们的系统不仅可以共振地增强光物质相互作用，还可以作为二阶光栅耦合器将光耦合到光波导中。”

波导通常用于光子学和光电子学工业中的应用。例如，光纤是构成互联网主干的波导，因此我们可以想象我们的设备在这种背景下使用，对于谐振器，传感器可能是一个可能的应用领域。研究人员在《Nature Nanotechnology》上发表了他们的论文，并表示他们现在正在研究一些涉及其设备中激子的基础研究问题。

团队成员Chawina De-eknamkul正在制作一个原子级薄的波导。