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单层直接带隙二维材料对可见光的高效相位调控

2022-01-10

 

与传统集成电路相比,集成光子系统具有速度快,容量大和保密性强的显著优势。将光子学器件制备在单一半导体基片上,实现同平台的光激发、调控和探测是构建全光集成系统的核心条件。得益于其直接带隙特性,单层过渡金属硫化物(TMD)二维半导体材料在构建超薄光电集成应用中展现了巨大潜力。但受限于趋于物理极限的厚度特性和有限的折射率实部(n),光程累积效应导致的光学相位调控能力较差。同时较高的折射率虚部(k)所带来的光学损耗也成为其构建全光集成系统的主要制约因素。

最近,暨南大学光子技术研究院李向平教授与澳大利亚国立大学Yuerui Lu教授等团队合作,深入研究了损耗辅助的光学相位奇点(Singularity)效应,变废为宝,让材料的损耗在光学相位调控机制中起主要作用。通过调控系统的辐射损耗和吸收损耗的竞争关系,合理设计结构参数,成功的在单层MoS2材料体系上实现了对可见光535 nm波长π的反射相位跃变,相位调控能力比MoS2的物理厚度高350倍(图1)。结合飞秒激光直写技术,在单层MoS2薄膜上构建了二元相位型平面超临界透镜,获得了远场超越衍射极限的光学聚焦。

图1. 基于损耗辅助光学相位奇点,及单层MoS2材料对可见光的高效相位调控。

同时,得益于MoS2在可见光波段显著的损耗色散特性,当把MoS2薄膜从单层拓展到双层时,相位调控能力的响应带宽会极大扩展。利用该特性,他们在理论和实验上展示了一系列的宽带响应二元光子器件,包括宽谱超衍射极限聚焦的平面超临界透镜(图2),大尺度多色高保真全息光学器件(图3),以及宽谱响应二元相位光栅等。该工作为二维半导体材料在波前调控方面的应用提供了新思路,结合单层TMD材料的直接带隙特性,为构建微型化的全光集成系统提供了可行的方案。

图2. 原子层厚度平面超临界透镜及其宽谱超衍射极限聚焦能力。

图3. 原子层厚度MoS2薄膜上的高保真多色光学全息图。

相关成果以π-phase modulated monolayer supercritical lens为题,于2021年1月发表在Nature Communications,12,32(2021)上。暨南大学秦飞副教授和澳大利亚国立大学博士生Boqing Liu为该文章的共同第一作者。暨南大学李向平教授和澳大利亚国立大学Yuerui Lu教授为共同通讯作者。

详情请点击论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-020-20278-x

来源:半导体学报微信公众号

 

 

 



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