特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。盡管范德華材料在片上光子電路方面具有潛力，但高效、大規模地生成和控制由范德華材料引導的光子模式仍然是一個挑戰。基于此，芝加哥大學Jiwoong Park等人報告了基于晶圓級二硫化鉬(MoS2)單層的三原子厚波導（ δ波導），可以在毫米級距離上引導可見光和近紅外光，且損耗低且耦合高效。極薄的厚度提供了一種類似于量子力學中的δ勢阱的光捕獲機制，并使本質上是平面波的導波能夠沿面內自由傳播，但沿面外方向受到限制。通過使用微加工電介質、金屬或圖案化MoS2將薄膜光學元件與δ波導集成，進一步展示了二維光子學所必需的關鍵功能，包括折射、聚焦、光柵、互連和強度調制。δ波導具有超小的厚度t滿足nt/l<1，可實現寬帶單模操作，其中導模的面外限制及其面內傳播可以獨立控制。范德華(vdW)材料，例如石墨烯和單層過渡金屬二硫化物(TMD)，提供了非常適合δ波導的超薄平臺。然而，由vdW材料引導的光子模式的高效大規模生成和控制仍然是一個挑戰。要充分發揮δ波導的潛力，需要光學均勻介質中的大規模、高質量vdW薄膜、對導波傳播干擾最小的系統耦合和檢測機制，以及一種方法使用集成組件操縱導波。
使用金屬有機化學氣相沉積在生長基底上生長連續的晶圓級單層薄膜。將單層MoS2薄膜從生長基底上剝離，然后嵌入有機硅彈性體[聚二甲基硅氧烷（PDMS）]內，以提供厘米級穩定、均勻的光學環境（nPDMS）。為了實現有效的激發，使用電動力學模擬來設計入射激光束的最佳幾何形狀。與偏振、波長、層數N和Dn相關的特性的結果證實，MoS2單層可用于生成大規模δ波導，其傳播損耗低至~0.5 dB/mm，并且具有較寬的l范圍和較高的(~30 %)耦合效率。
作者演示了δ波導上光學功能化的兩種方法——薄膜元件集成以及MoS2的直接微加工和光學激發。作者展示了在δ波導上集成薄膜光學元件的能力，示意性地說明了其工作原理的關鍵思想，并通過模擬證實了工作思想。結果表明，δ波導上的導波光學器件的方法在概念上類似于光學平臺上的自由束光學器件。除了基于薄膜集成的導波光學器件外，MoS2單層還可以進行圖案化或光激發，從而實現捕獲電勢的局部控制。作者演示了2D光子學的三個基本功能：互連、分束和調制。結果表明可以使用MoS2吸收的泵浦光束來調制導波的傳輸。光調制的效率隨著IP單調增加，在0.5 kW/cm2時達到50%，這表明光調制發生在 MoS2的線性吸收區域。
MYUNGJAE LEE, et al. Wafer-scale δ waveguides for integrated two-dimensional photonics. Science, 2023, 381(6658): 648-653DOI: 10.1126/science.adi2322https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi2322
