特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。尽管范德华材料在片上光子电路方面具有潜力，但高效、大规模地生成和控制由范德华材料引导的光子模式仍然是一个挑战。基于此，芝加哥大学Jiwoong Park等人报告了基于晶圆级二硫化钼(MoS2)单层的三原子厚波导（ δ波导），可以在毫米级距离上引导可见光和近红外光，且损耗低且耦合高效。极薄的厚度提供了一种类似于量子力学中的δ势阱的光捕获机制，并使本质上是平面波的导波能够沿面内自由传播，但沿面外方向受到限制。通过使用微加工电介质、金属或图案化MoS2将薄膜光学元件与δ波导集成，进一步展示了二维光子学所必需的关键功能，包括折射、聚焦、光栅、互连和强度调制。δ波导具有超小的厚度t满足nt/l<1，可实现宽带单模操作，其中导模的面外限制及其面内传播可以独立控制。范德华(vdW)材料，例如石墨烯和单层过渡金属二硫化物(TMD)，提供了非常适合δ波导的超薄平台。然而，由vdW材料引导的光子模式的高效大规模生成和控制仍然是一个挑战。要充分发挥δ波导的潜力，需要光学均匀介质中的大规模、高质量vdW薄膜、对导波传播干扰最小的系统耦合和检测机制，以及一种方法使用集成组件操纵导波。
使用金属有机化学气相沉积在生长基底上生长连续的晶圆级单层薄膜。将单层MoS2薄膜从生长基底上剥离，然后嵌入有机硅弹性体[聚二甲基硅氧烷（PDMS）]内，以提供厘米级稳定、均匀的光学环境（nPDMS）。为了实现有效的激发，使用电动力学模拟来设计入射激光束的最佳几何形状。与偏振、波长、层数N和Dn相关的特性的结果证实，MoS2单层可用于生成大规模δ波导，其传播损耗低至~0.5 dB/mm，并且具有较宽的l范围和较高的(~30 %)耦合效率。
作者演示了δ波导上光学功能化的两种方法——薄膜元件集成以及MoS2的直接微加工和光学激发。作者展示了在δ波导上集成薄膜光学元件的能力，示意性地说明了其工作原理的关键思想，并通过模拟证实了工作思想。结果表明，δ波导上的导波光学器件的方法在概念上类似于光学平台上的自由束光学器件。除了基于薄膜集成的导波光学器件外，MoS2单层还可以进行图案化或光激发，从而实现捕获电势的局部控制。作者演示了2D光子学的三个基本功能：互连、分束和调制。结果表明可以使用MoS2吸收的泵浦光束来调制导波的传输。光调制的效率随着IP单调增加，在0.5 kW/cm2时达到50%，这表明光调制发生在 MoS2的线性吸收区域。
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
