据中国激光杂志社网，于2023年11月03日报道， 光学各向异性在现代光子学应用中十分重要。近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室黎大兵研究员、李绍娟研究员与华中科技大学李培宁教授、复旦大学张荣君教授团队、天津大学胡春光教授团队合作，报道了在三元系范德华晶体中超宽带（可见光-中红外）巨大的各向异性波导，为新一代宽波段、集成光子器件应用奠定了基础。
相关成果以标题为“Visible to mid-infrared giant in-plane optical anisotropy in ternary van der Waals crystals”发表在Nature Communications上。
研究背景
光在通过各向异性材料时会产生双折射现象，人们对双折射现象的研究最早可追溯至1669年，在体块材料方解石中观察到双折射数值约为0.17（可见光部分），而在红外波段则更小。利用双折射现象可有效调制光的偏振，在偏振控制、超强光耦合、非线性光学和量子光学等方面具有重要应用。后续发展的其他传统体材料，如MgF2、金红石、液晶材料等，其双折射数值仍然很小，同时较大的体积不适用于新一代紧凑型集成光子器件的应用。相比于块状晶体，范德华晶体由于原子平滑表面、光-物质相互作用强、柔韧性好以及与当前的硅光子技术兼容等优势，是下一代片上紧凑型纳米光子领域潜在优势材料。范德华晶体层内结合力强，层间结合力较弱，其天然呈现大的面外双折射，然而，相比于面外双折射，开发面内双折射将光线引入与其平面光轴平行的纳米区域更有利于实际应用，但是实现大的面内双折射仍然非常具有挑战性。
研究创新点
研究团队首先从结构各项异性和电子极化率两方面出发寻找可能支持巨大面内双折射的晶体，通过第一性原理计算、远场椭偏光谱测试、傅里叶变换红外光谱测试和近场测试相结合的方法揭示了双轴范德华晶体Ta2NiS5从可见光到中红外（0.3-16 μm）超宽带、低损耗、巨大的双折射，在可见光和中红外波段面内双折射Δn ≈ 2和0.5，创造了已报道的范德华晶体中面内双折射的新纪录。
同时，由于Ta2NiS5高折射率、低消光系数、巨大的面内双折射，研究团队通过近场实空间纳米成像，揭示了Ta2NiS5从可见到中红外0.633-11.111 μm宽波段、低损耗的各项异性波导传输。在中红外波段，波导的传输距离可以超过20 μm。TM与TE模式等频轮廓线表现为椭圆形，这对纳米尺度的光调控提供了一个新的自由度。同时研究团队通过Ta2NiS5近场图像中TM和TE波导模式定量提取了范德华纳米片的全介电常量，进一步验证了远场提取的双折射的正确性。
总结与展望
除了Ta2NiS5以外，研究团队也预测了通过改变层状硫化物中元素的比例或成分，也可能存在宽波段巨大的双折射和各向异性波导，为双折射的研究提供了新的思路。三元系范德华晶体Ta2NiS5支持的超宽带巨大面内双折射和各向异性波导使其成为推动纳米光子学领域和集成光学领域发展的有力竞争者，为下一代超宽带和超小型集成光子学的发展铺平了道路。
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所是本研究论文的第一通讯单位，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所黎大兵研究员、李绍娟研究员、华中科技大学李培宁教授、复旦大学张荣君教授为论文共同通讯作者。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士生冯言泽，华中科技大学博士后陈闰堃，复旦大学博士生何君博为论文共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委创新群体、国家自然科学基金优秀青年科学基金、国家自然科学基金委NSAF基金、科技部重点研发计划等项目的资助。
