近日，西北工业大学赵建林、肖发俊、甘雪涛教授团队联合北京大学刘开辉教授、中国科学院物理研究所马超杰副研究员和苏州大学张丙昌、王绍军教授，在二维材料激子的发光增强与方向性调控方面取得重要进展。研究团队通过构建不对称纳腔结构，借助等离激元模式对InSe激子的激发和发射过程的协同增强以及发射波前的“干涉”调控，获得了超过3500倍的荧光增强和高达15 dB的定向发射。以此，团队成功将激子的单向发光耦合到硅纳米线波导中，实现了24%的耦合效率和长达140微米的荧光传输距离。研究成果以“Unidirectional Giant Exciton Emission into a Photonic Waveguide”为题，发表在《Physical Review Letters》上。西北工业大学物理科学与技术学院研究生王其发、罗焕和中国科学院物理研究所马超杰副研究员为论文共同第一作者，肖发俊教授、甘雪涛教授、刘开辉教授为论文共同通讯作者，赵建林教授对本工作给予了重要指导。
光子芯片已成为新一代信息技术的关键发展方向，有望像电子芯片一样支撑高速计算、通信与传感。要实现这一愿景，须在纳米尺度上高效产生并精确操控光信号。特别地，在微小结构中同时兼顾高亮度与定向发射，仍是当前的核心难题。近年来，二维半导体材料凭借原子级超薄结构和优异的光学特性，被视为新一代片上纳米光源的有力候选，并在集成光电子学与量子信息等领域展现出广阔前景。但这类材料中的激子通常呈全向发射，且受限于较弱吸收与较低量子效率，难以与波导实现高效耦合。尽管已有多种二维材料—波导的集成方案取得一定进展，耦合效率不足与发射方向不可控仍是普遍瓶颈。
针对上述挑战，该团队设计了一种“纳米立方二聚体-镜面”纳腔结构，精确实现了腔内等离激元模式与InSe激子在空间分布、光谱峰位及偶极取向上的协同匹配。同时，团队通过打破纳腔结构的对称性，有效调控了发射波前在相反方向上的相长与相消干涉，从而实现了激子的单向发射（如图1所示）。
图1. 基于光学纳腔的对称破缺设计实现激子荧光增强与单向发射。
仿真结果显示（图2），纳腔的双共振策略能够显著提高InSe激子的激发速率和量子产率，从而实现荧光强度的明显增强。同时，纳腔结构的不对称性引入相位差，使激子在一侧方向的发射被抑制，而另一侧得到增强，将原本全向的激子发射转变为单向发射。磁场分布进一步揭示了激子发射的单向性，验证了该设计能够在强局域条件下同时实现激子的高亮度与单向发射。
图2. 激子荧光增强与单向发射的理论支撑。
实验上，研究团队通过光谱辅助的纳米操控技术实现了非对称纳腔的制备。荧光测试结果显示，该纳腔结构可使InSe的荧光强度提升超过3500倍，显著增强了激子发光亮度。同时，荧光远场成像的面内角分布结果显示，原本全向发射的激子在纳腔作用下转变为单向发射，方向性高达15 dB。进一步实验证明，通过调节纳米立方体的几何尺寸，可灵活控制荧光增强和方向性，实现从全向到单向的可调切换。这些结果不仅验证了设计策略的可行性，也证明了该方案在实现高效、可控的二维材料光源方面具有重要潜力。
图3. 激子荧光增强与单向发射的实验验证。
进一步，研究人员将单向激子发光成功耦合到硅纳米线波导，实现了24%的耦合效率和长达140微米的荧光传输距离。该结果充分证明了所设计的非对称纳腔结构在实现二维材料激子发光与片上光子波导的高效集成方面的有效性，为构筑高性能片上光源及其在光子芯片中的应用奠定了重要基础。
图4. 激子发射与硅纳米线波导的耦合。
本研究提出了一种非对称纳腔设计，成功解决了二维材料激子发光难以兼顾高亮度与高定向性的难题，实验中实现了超过3500倍的荧光增强和15 dB的单向发射。此外，将单向激子发光耦合入硅纳米线波导，实现了24%的耦合效率和长达140微米的荧光传输距离。该工作不仅解决了纳米光子结构中“强局域近场与高度定向远场难以兼顾”的物理矛盾，也为实现超紧凑片上光源、量子光子器件与片上信息处理系统提供了新的物理途径。未来，所提出的纳腔平台可进一步与多种量子发光体（如其他二维半导体或量子点）集成，并有望扩展至片上单光子源、低阈值纳米激光器及电驱动纳米光源，为下一代集成光子系统的研发奠定基础。
文章链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/3fxz-6v6s
撰稿|课题组供稿
