Dünnste optische Wellenleiter-Kanäle, die Licht innerhalb von nur drei atomlagen

Ingenieure an der Universität von Kalifornien in San Diego entwickelt haben, die dünnste optische Gerät in der Welt-einen Wellenleiter, der drei atomlagen Dünn.

Die Arbeit ist eine proof-of-concept für das scaling-down-optische Geräte-Größen, die um Größenordnungen kleiner sind als die heutigen Geräte. Es könnte dazu führen, die Entwicklung der höheren Dichte, höhere Kapazität photonischen chips. Die Forscher veröffentlichten Ihre Erkenntnisse Aug. 12 in Nature Nanotechnology.

„Grundsätzlich zeigen wir die ultimative Grenze, wie Dünn ein optischer Wellenleiter aufgebaut werden kann“, sagte senior-Autor Ertugrul Cubukcu, professor für nanoengineering und Elektrotechnik an der UC San Diego.

Die neue waveguide-Maßnahmen über sechs Angström Dünn-das ist mehr als 10.000 mal dünner als eine typische optische Faser und über 500-mal dünner ist als on-chip-optischer Wellenleiter in integrierten photonischen Schaltkreisen.

Der Wellenleiter besteht aus einem Wolfram-Disulfid-monolage (aus einer Schicht Wolfram-Atome, eingequetscht zwischen zwei Schichten von Schwefel-Atomen) ausgesetzt auf einem Silizium-Rahmen. Die monolage ist auch gemustert mit einer Reihe von nanoskaligen Löcher bilden einen photonischen Kristall.

Was ist das Besondere an diesem monolayer-Kristall ist, dass es unterstützt Elektron-Loch-Paare, bekannt als Exzitonen bei Raumtemperatur. Diese Exzitonen erzeugen einen starken optischen Reaktion, wodurch der Kristall einen Brechungsindex, der ungefähr vier mal größer als die der Luft, die Sie umgibt, Ihre Oberflächen. Durch Vergleich, ein anderes material mit der gleichen Dicke nicht so hoch, dass eine Brechungsindex. Wenn das Licht geschickt wird, durch den Kristall, es ist gefangen und geführt entlang der Ebene, die durch die totale interne Reflexion. Dies ist der grundlegende Mechanismus, wie einen optischen Wellenleiter funktioniert.

Eine weitere Besonderheit ist, dass der Wellenleiter-Kanäle, die Licht im sichtbaren Spektrum. „Das ist eine große Herausforderung, in einem material, das Dünn,“ Cubukcu sagte. „Waveguiding wurde zuvor gezeigt, mit Graphen, die auch atomar dünnen, aber bei Infrarot-Wellenlängen. Wir haben erstmals gezeigt, waveguiding in der region sichtbar.“

Nanoskaligen Löcher geätzt in den Kristall erlauben, etwas Licht zu streuen, die senkrecht zu der Ebene, so dass es sein kann, beobachtet und sondiert. Dieses array von Löchern erzeugt eine periodische Struktur, die macht der crystal Doppel-als resonator als auch.

„Dies macht auch die dünnsten optischen resonator für sichtbares Licht, die jemals experimentell nachgewiesen,“ sagte ersten Autor Xingwang Zhang, die die Arbeit an diesem Projekt als Postdoc in Cubukcu ‚ s lab an der UC San Diego. „Dieses system ist nicht nur resonant Verbesserung der Licht-Materie-Wechselwirkung, dient aber auch als second-order-Gitter-Koppler zur Kopplung des Lichts in den optischen Wellenleiter.“

Forscher advanced micro – and nanofabrication Techniken zum erstellen der Wellenleiter. Erstellen der Struktur besonders anspruchsvoll war, sagte Chawina De-Eknamkul, ein nanoengineering PhD student at UC San Diego und co-Autor der Studie. „Das material ist atomar Dünn, so mußten wir entwickeln einen Prozess auszusetzen und Sie auf einen Silikon-Rahmen und Muster es genau, ohne Sie zu zerbrechen“, sagte Sie.

Der Prozess beginnt mit einer dünnen Siliziumnitrid-Membran, unterstützt von einem Silizium-Rahmen. Dies ist das Substrat, auf dem die Wellenleiter aufgebaut ist. Ein array von nanoskaligen Löcher gemustert in die Membran, um eine Vorlage zu erstellen. Als Nächstes wird eine monolage von Wolfram-Disulfid-Kristall ist abgestempelt auf der Membran. Die Ionen werden dann geschickt durch die Membran auf etch das gleiche Muster der Löcher in den Kristall. Im letzten Schritt wird die Silizium-Nitrid-Membran wird vorsichtig etched away, leaving the crystal aufgehängt, die auf dem Silizium-Rahmen. Das Ergebnis ist ein optischer Wellenleiter, in dem der Kern besteht aus einer monolage von Wolfram-Disulfid-photonischen Kristall, umgeben von einem material (Luft) mit einem niedrigeren Brechungsindex.

Voran, das team weiter zu erforschen, die grundlegenden Eigenschaften und die Physik in Bezug auf den Wellenleiter.