光學(xué)各向異性在現(xiàn)代光子學(xué)應(yīng)用中十分重要。近日，中國科學(xué)院長春光機(jī)所發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室黎大兵研究員、李紹娟研究員與華中科技大學(xué)李培寧教授、復(fù)旦大學(xué)張榮君教授團(tuán)隊、天津大學(xué)胡春光教授團(tuán)隊合作，報道了在三元系范德華晶體中超寬帶(可見光-中紅外)巨大的各向異性波導(dǎo)，為新一代寬波段、集成光子器件應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)成果以標(biāo)題為“Visible to mid-infrared giant in-plane optical anisotropy in ternary van der Waals crystals”發(fā)表在Nature　Communications上。
 

　　相比于塊狀晶體，范德華晶體由于原子平滑表面、光-物質(zhì)相互作用強(qiáng)、柔韌性好以及與當(dāng)前的硅光子技術(shù)兼容等優(yōu)勢，是下一代片上緊湊型納米光子領(lǐng)域潛在優(yōu)勢材料。范德華晶體層內(nèi)結(jié)合力強(qiáng)，層間結(jié)合力較弱，其天然呈現(xiàn)大的面外雙折射，然而，相比于面外雙折射，開發(fā)面內(nèi)雙折射將光線引入與其平面光軸平行的納米區(qū)域更有利于實際應(yīng)用，但是實現(xiàn)大的面內(nèi)雙折射仍然非常具有挑戰(zhàn)性。
 

　　研究團(tuán)隊首先從結(jié)構(gòu)各項異性和電子極化率兩方面出發(fā)尋找可能支持巨大面內(nèi)雙折射的晶體，通過第一性原理計算、遠(yuǎn)場橢偏測試、傅里葉變換紅外光譜測試和近場測試相結(jié)合的方法揭示了雙軸范德華晶體Ta2NiS5從可見光到中紅外(0.3-16μm)超寬帶、低損耗、巨大的雙折射，在可見光和中紅外波段面內(nèi)雙折射Δn≈2和0.5，創(chuàng)造了已報道的范德華晶體中面內(nèi)雙折射的新紀(jì)錄。
 

　　圖1.Ta2NiS5晶體中超寬帶和巨大的雙折射。a.Ta2NiS5晶體結(jié)構(gòu)。b.Ta2NiS5沿a軸和c軸橢偏測試參數(shù)。c.Ta2NiS5樣品的傅立葉變換紅外光譜。d，e.Ta2NiS5在可見和中紅外范圍內(nèi)折射率和消光系數(shù)。f.Ta2NiS5與之前文獻(xiàn)中報道的各向異性材料的雙折射值的比較。
 

　　同時，由于Ta2NiS5高折射率、低消光系數(shù)、巨大的面內(nèi)雙折射，研究團(tuán)隊通過近場實空間納米成像，揭示了Ta2NiS5從可見到中紅外0.633-11.111μm寬波段、低損耗的各項異性波導(dǎo)傳輸。在中紅外波段，波導(dǎo)的傳輸距離可以超過20μm。TM與TE模式等頻輪廓線表現(xiàn)為橢圓形，這對納米尺度的光調(diào)控提供了一個新的自由度。同時研究團(tuán)隊通過Ta2NiS5近場圖像中TM和TE波導(dǎo)模式定量提取了范德華納米片的全介電常量，進(jìn)一步驗證了遠(yuǎn)場提取的雙折射的正確性。
 

　　圖2.Ta2NiS5晶體波導(dǎo)模式實空間納米成像。a.近場實驗裝置示意圖。b.Ta2NiS5不同轉(zhuǎn)角理論計算與實驗數(shù)據(jù)。c-h.Ta2NiS5不同軸向在不同入射光波長下的近場圖像。i,c-h圖中沿著黑色虛線條紋輪廓的傅立葉變換分析。
 

　　除了Ta2NiS5以外，研究團(tuán)隊也預(yù)測了通過改變層狀硫化物中元素的比例或成分，也可能存在寬波段巨大的雙折射和各向異性波導(dǎo)，為雙折射的研究提供了新的思路。三元系范德華晶體Ta2NiS5支持的超寬帶巨大面內(nèi)雙折射和各向異性波導(dǎo)使其成為推動納米光子學(xué)領(lǐng)域和集成光學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的有力競爭者，為下一代超寬帶和超小型集成光子學(xué)的發(fā)展鋪平了道路。