二硫化钨制世界上最薄光波导

近日，加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的科学家们通过二硫化钨研制出目前世界上最薄的光学器件——仅三层原子厚大小的波导。相关成果发表在8月12日的《自然•纳米技术》杂志上。

光波导（optical waveguide），是数据通信系统技术的重要组成部分，是引导光波在其中传播的介质装置。光波导的传输原理不同于金属封闭波导，在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。常见应用于通信系统或者传感器的光纤。

加州大学圣地亚哥分校的这款新型波导，厚度约为 6 埃米（1 埃米=0.1纳米），比典型光纤薄 1 万倍，比集成光子电路中的片上光波导薄约 500 倍。波导由悬浮在硅框架上的二硫化钨单层（两层硫原子中间夹一层钨原子）组成，单层由一系列纳米孔图案形成光子晶体。

这种单层晶体的特殊之处在于，其在室温下可支持被称为激子的电子—空穴对。这些激子产生强烈的光学响应，使晶体的折射率大约是围绕其表面的空气折射率的 4 倍。相比之下，具有相同厚度的另一种材料不具备如此高的折射率。当光线通过晶体传播时，它会被内部捕获并通过全内反射沿着平面传导。这是光波导如何工作的基本机制。

该波导的另一个特征是可在可见光谱中传导光。蚀刻到晶体中的纳米孔允许一些光垂直于平面散射，从而得以观察和探测。这个孔阵列产生的周期性结构，使晶体还能作为谐振器。该系统不仅可以共振地增强光物质相互作用，还可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观和纳米制造技术来制造波导，首先构建波导的基板——由硅框架支撑的薄氮化硅膜。将纳米尺寸的孔阵列图案化到膜中以产生模板，再将单层二硫化钨晶体冲压到膜上。然后通过膜将离子送入晶体中蚀刻相同的孔图案，最后轻轻地蚀刻掉氮化硅膜，使晶体悬浮在硅框架上。结果就生成了一个光波导，其核心是由围绕着一种较低折射率材料（空气）的二硫化钨单层光子晶体组成。

此项研究成果可将现有光学器件的尺寸缩小几个数量级，或带来更高密度、更高容量的光子芯片。

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