De tyndeste optiske bølgelederkanaler lyser inden for kun tre lag af atomer

Ingeniører ved University of California San Diego har udviklet den tyndeste optiske enhed i verden - en bølgeleder, der er tre lag af atomer tynde.

Værket er et proof of concept til at nedskalere optiske enheder til størrelser, der er størrelsesordener mindre end nutidens enheder. Det kan føre til udvikling af højere tæthed, fotoniske chips med højere kapacitet. Forskere offentliggjorde deres resultater 12. august i Natur nanoteknologi .

"Grundlæggende vi demonstrerer den ultimative grænse for, hvor tynd en optisk bølgeleder kan bygges, " sagde seniorforfatter Ertugrul Cubukcu, en professor i nanoengineering og elektroteknik ved UC San Diego.

Den nye bølgeleder måler omkring seks ångstrøm tynd - det er mere end 10, 000 gange tyndere end en typisk optisk fiber og omkring 500 gange tyndere end on-chip optiske bølgeledere i integrerede fotoniske kredsløb.

Bølgelederen består af et wolframdisulfid-monolag (der består af et lag wolframatomer, der er klemt mellem to lag af svovlatomer) suspenderet på en siliciumramme. Monolaget er også mønstret med en række huller i nanostørrelse, der danner en fotonisk krystal.

Det specielle ved denne monolagskrystal er, at den understøtter elektron-hul-par, kendt som excitoner, ved stuetemperatur. Disse excitoner genererer et stærkt optisk respons, giver krystallen et brydningsindeks, der er omkring fire gange større end luftens, som omgiver dens overflader. Til sammenligning, et andet materiale med samme tykkelse ville ikke have et så højt brydningsindeks. Når lys sendes gennem krystallen, den er fanget inde og styret langs flyet ved total intern refleksion. Dette er den grundlæggende mekanisme for, hvordan en optisk bølgeleder fungerer.

En anden speciel funktion er, at bølgelederen kanaliserer lys i det synlige spektrum. "Dette er udfordrende at lave i et tyndt materiale, " sagde Cubukcu. "Bølgestyring er tidligere blevet demonstreret med grafen, som også er atommæssigt tynd, men ved infrarøde bølgelængder. Vi har demonstreret for første gang bølgeleder i det synlige område. "

Nanosiserede huller ætset ind i krystallen tillader noget lys at spredes vinkelret på planet, så det kan observeres og sonderes. Denne række af huller producerer en periodisk struktur, der gør, at krystallen også fungerer som en resonator.

"Dette gør den også til den tyndeste optiske resonator for synligt lys, der nogensinde er blevet demonstreret eksperimentelt, " sagde første forfatter Xingwang Zhang, der arbejdede på dette projekt som postdoktor i Cubukcus laboratorium ved UC San Diego. "Dette system forbedrer ikke kun resonans interaktionen mellem lys og stof, men fungerer også som en anden-ordens gitterkobling til at koble lyset ind i den optiske bølgeleder."

Forskere brugte avancerede mikro- og nanofabrikationsteknikker til at skabe bølgelederen. At skabe strukturen var særligt udfordrende, sagde Chawina De-Eknamkul, en nanoengineering ph.d. studerende ved UC San Diego og medforfatter til undersøgelsen. "Materialet er atomisk tyndt, så vi måtte udtænke en proces til at suspendere den på en siliciumramme og mønstre den præcist uden at bryde den, " hun sagde.

Processen starter med en tynd siliciumnitridmembran understøttet af en siliciumramme. Dette er det substrat, som bølgelederen er bygget på. En række huller i nanostørrelse er mønstret ind i membranen for at skabe en skabelon. Næste, et monolag af wolframdisulfid krystal er stemplet på membranen. Ioner sendes derefter gennem membranen for at ætse det samme mønster af huller ind i krystallen. I det sidste trin, siliciumnitridmembranen ætses forsigtigt væk, efterlader krystallen suspenderet på siliciumrammen. Resultatet er en optisk bølgeleder, hvori kernen består af en monolag wolframdisulfid fotonisk krystal omgivet af et materiale (luft) med et lavere brydningsindeks.

Bevæger sig fremad, holdet vil fortsætte med at udforske de grundlæggende egenskaber og fysik, der vedrører bølgelederen.