巧用材料损耗实现单原子层光场调控及超临界透镜

2021-02-02

01导读

暨南大学光子技术研究院纳米光子器件团队与澳大利亚国立大学合作,在损耗辅助的相位调控机制研究中取得新进展。他们发现通过精密设计结构模型,可以在单层二维材料体系中实现对可见光的高效相位调控,同时,该相位调控具有宽谱响应的特性。基于此机制,他们构建了一系列厚度趋于物理极限的单层光子学器件,展示了单原子层平面超临界透镜以及光学全息等应用。

该研究成果近期以π-phase modulated monolayer supercritical lens为题,发表在Nature Communications上。

02研究背景

全光集成信息处理系统是纳米光子学研究的初心和最终使命,而实现同平台的光激发、调控和探测是构建全光信息处理系统的核心条件。近年来,以过渡金属硫化物(TMD)为代表的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成为二维半导体材料构建全光集成系统的主要制约因素。

在传统光学元器件中,由材料折射率虚部(k)所决定的损耗特性总是起到降低系统性能的作用,在实际光学设计中需尽力去消除损耗的影响。

03研究创新点1

在单层二维材料体系中实现对可见光的高效相位调控

本工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。基于TMD-buffer layer-Si的三层结构体系,通过调控系统的辐射损耗和单层二维材料吸收损耗的竞争关系,构建了工作在可见光波段的光学反射相位奇点。利用跨越光学奇点附近的Heaviside相位突变,在有二维材料覆盖和没有二维材料覆盖区域实现了从over-coupling到under-coupling的模式转变,成功地在单层MoS2上实现对可见光显著的相位调控。理论结果显示,当buffer layer的折射率和厚度(n,t)分别控制在(1.98,65 nm)的时候,在单层 MoS2-buffer layer-Si区域和buffer layer-Si区域之间,在设计波长535 nm附近可以实现π的相位突变,相位调控能力比MoS2的物理厚度高350倍(图1)。


图1 损耗辅助的相位调控机制。(a) 三层材料体系示意图,包含无限厚度的衬底Si,折射率和厚度为(n,t)的中间介质层,以及单层MoS2薄膜。为光从MoS2膜层和均匀电介质层上反射时的相位差。(b)损耗辅助的相位调控深度与电介质层的厚度和折射率的依赖关系。(c)相位调控依赖关系局部放大图,期中白色点线表示相位调制等高线,蓝色五角星区域为临界耦合点。(d)有MoS2和没有MoS2覆盖时535nm波长的复反射系数与ZnO介质层厚度的依赖关系,当ZnO层厚度等于65nm时,相位差为π。

03研究创新点2

相位调控具有宽谱响应的特性

结合飞秒激光直写技术,该工作在单层MoS2薄膜上构建了二元相位型平面超临界透镜,理论和实验中获得了远场超越衍射极限的光学聚焦,焦斑横向尺寸约为0.7倍的艾里斑。得益于TMD材料在可见光波段显著的损耗色散特性,MoS2薄膜非凡的相位调制能力可以扩展到宽谱波段。

03研究创新点3

构建一系列厚度趋于物理极限的单层光子学器件

理论计算表明,当把MoS2薄膜从单层拓展到双层时,响应带宽会极大扩展,在150 nm带宽区域内实现大于π/2的相位调制能力。利用该特性,他们在实验上展示了的宽带平面超临界透镜,从435 nm到585 nm的150 nm带宽内得到了超衍射极限的聚焦能力(图2)。焦距与波长成良好的线性关系,且焦斑横向尺寸基本保持恒定,这为实现波长扫描式的超分辨光学层析成像技术提供了可能。


图2. 原子层厚度平面超临界透镜。(a)飞秒激光直写二元相位型平面超临界透镜加工示意图。(b)单层平面超临界透镜电镜照片。(c)电镜照片的局部放大图。(d)宽谱响应平面超临界透镜示意图。(e)实验测得的从435-585 nm宽带超衍射极限焦斑形貌,焦斑横向尺寸在整个响应波段内基本保持恒定。

为了展现该技术在构建超构光子器件方面的普适性,本工作还展示了损耗辅助的相位调制能力在原子层厚度复杂二元光子器件中的应用。结合激光直写技术,在大面积双层MoS2薄膜上构建了1000×1000像素的全息光学器件。得益于超高的相位调制能力和宽带响应特性,实验中展示了多色高保真度的全息图(图3)。


图3. 原子层厚度MoS2薄膜上的光学全息图。(a)以暨南大学校徽作为全息图的目标图像。(b)基于飞秒激光加工的全息样品光学照片。(c)全息样品局部电镜照片。(d-f)实验测得473 nm,561 nm和633 nm波长处的全息图像。

总结

该研究工作为二维半导体材料的波前调控提供了新思路,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。同时,单层材料所体现出的超高相位调制能力,也为自调制光致发光、功能集成化的光电探测器、激子场效应晶体管以及下一代光学计算应用提供助益。

暨南大学光子技术研究院秦飞副研究员和澳大利亚国立大学工程与计算科学学院博士生Boqing Liu为该文章的共同第一作者。暨南大学光子技术研究院李向平研究员和澳大利亚国立大学卢悦瑞教授为共同通讯作者。该工作还得到了新加坡国立大学仇成伟教授,和鲁东大学朱林伟教授等合作者的理论和实验支持。

论文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-020-20278-x