在集成光子器件领域，二维半导体材料由于具有独特的激子发光特性、优异的机械性能、高导热率和载流子迁移率等，在可集成光源器件上展现出独特的优势。尤为重要的是单层二维半导体具有原子级的平整度且没有悬挂键，因此易于与其他材料以范德华力实现异质集成，有效地避免了晶格失配问题，为高集成度、高性能的光源器件设计提供了新平台。然而，当二维半导体材料的厚度降至原子级时，材料与光场的相互作用很弱，发光效率受限。另外精确控制二维半导体中激子发光的波前仍面临着技术挑战。因此，克服原子级厚度的二维半导体材料发光效率受限的问题，并精确控制其中激子发光的波前，是实现基于二维半导体的波前调制的光源器件的关键科学问题。针对上述科学问题，中国科学院苏州纳米所张兴旺团队报道了单层二硫化钨（Tungsten
Disulfide , WS2）与氮化硅光子晶体平板的异质集成的涡旋光源器件（图1）。该方案不仅利用光子晶体平板中的对称保护的连续域的束缚态（Bound
States in the Continuum，BIC）能带具有的高品质因子的光学谐振，显著提高了单层二硫化钨的发光效率，还巧妙地运用光子晶体能带结构的拓扑性质实现涡旋的相位调制。另外，光子晶体结构无器件中心设计巧妙地规避了对准偏差导致的问题。该工作在理论和实验上证明了，通过激子与氮化硅光子晶体中BIC点附近的模式近场耦合，成功地调制了单层二硫化钨激子发光的波前相位，并且受调制的螺旋相位与自旋锁定，实现了激子发射的自旋—轨道角动量锁定的涡旋光源，为二维半导体结构光光源器件提供了全新的理论与实践框架。![]()
图1.基于单层二硫化钨与氮化硅光子晶体异质集成的自旋—轨道锁定涡旋光源原理示意图
该工作以Spin-locked
WS2 vortex emission via photonic crystal bound states in the
continuum为题发表在Advanced Materials上（请点击“阅读原文”查看论文）。中国科学院苏州纳米所博士后夏梦为论文第一作者，张兴旺研究员为论文通讯作者，该研究获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划、苏州市科学技术局、江苏省卓越博士后计划等项目的支持，同时也得到了中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）、纳米加工平台的支持。![]()
