一种定向发射且可调控的极化激元发光器件及其制造方法

摘要

本发明提供了一种定向发射且可调控的极化激元发光器件及其制造方法，在衬底上形成金属薄膜，在金属薄膜上形成隔离层，在隔离层上形成TMDCs层，在TMDCs层上形成介质层，且介质层为周期性光栅结构。其中，由金属薄膜、隔离层和介质层组成的光学微腔的光子模式的谐振峰与TMDCs层的激子峰的波长相等，使得TMDCs层的激子、银薄膜的表面等离子体激元模式SPP和介质层的波导传播模式产生强耦合作用，形成激子‑极化激元，并且提高量子产率。由于耦合作用增强，实现了对激子‑极化激元超快动力学的调控，使得在入射光入射角度不为零度的情况下也能产生出射光，并通过调节入射角度调控出射光的出射角度，实现出射光的定向发射。

权利要求

1.一种定向发射且可调控的极化激元发光器件，其特征在于，包括衬底、金属薄膜、隔离层、TMDCs层和介质层；

所述金属薄膜在所述衬底上形成，所述隔离层在所述金属薄膜上形成，所述TMDCs层在所述隔离层上形成，所述介质层在所述TMDCs层上形成，且所述介质层为光栅结构；

其中，由所述金属薄膜、所述隔离层和所述介质层组成的光学微腔的光子模式的谐振峰与所述TMDCs层的激子峰的波长相等；通过调节入射到所述极化激元发光器件中入射光的入射角度调控所述极化激元发光器件的出射光的出射角度，实现出射光的定向发射。

2.根据权利要求1所述的定向发射且可调控的极化激元发光器件，其特征在于，所述TMDCs层为由单层TMDCs分子组成的薄膜结构。

3.根据权利要求1所述的定向发射且可调控的极化激元发光器件，其特征在于，所述介质层为周期性的条状光栅结构、圆柱状光栅结构或者多面体状光栅结构。

4.根据权利要求1所述的定向发射且可调控的极化激元发光器件，其特征在于，所述衬底由硅形成，所述金属薄膜由金或者银形成，所述隔离层由Al2O3形成，所述介质层由聚甲基丙烯酸甲酯或氮化硅形成。

5.一种制造如权利要求1-4中任一项所述的定向发射且可调控的极化激元发光器件的方法，其特征在于，包括：在所述衬底上形成厚度为200nm的所述金属薄膜，在所述金属薄膜上形成厚度为5nm的所述隔离层；

将预先形成的所述TMDCs层转移到所述隔离层上，在所述TMDCs层上形成所述介质层。

6.根据权利要求5所述的制造如权利要求1-4中任一项所述的定向发射且可调控的极化激元发光器件的方法，其特征在于，所述在所述衬底上形成厚度为200nm的所述金属薄膜，在所述金属薄膜上形成厚度为5nm的所述隔离层，包括：采用热蒸发将厚度为200nm的所述金属薄膜沉积到所述衬底上，并采用原子沉积法在所述金属薄膜的表面镀上厚度为5nm的所述隔离层。

7.根据权利要求5所述的制造如权利要求1-4中任一项所述的定向发射且可调控的极化激元发光器件的方法，其特征在于，所述将预先形成的所述TMDCs层转移到所述隔离层上，在所述TMDCs层上形成所述介质层，包括：预先采用化学气相沉积法生长由单层TMDCs分子组成的薄膜，作为所述TMDCs层，并将所述TMDCs层机械转移到所述隔离层上；

采用电子束光刻法在所述TMDCs层上制备所述介质层。

8.一种片上光源，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的定向发射且可调控的极化激元发光器件。

9.一种CMOS光电子器件，其特征在于，包括权利要求8中所述的片上光源。

说明书

一种定向发射且可调控的极化激元发光器件及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体制造技术领域，尤其是涉及一种定向发射且可调控的极化激元发光器件及其制造方法。

背景技术

[0002] 在传统半导体材料中激子-极化激元提供了一种能够突破衍射极限的光操纵方法。作为半光半物质的准粒子，激子-极化激元不仅具有光子的优点，如有效质量小、传播速度快、时间/空间相干性强，还具有粒子间强相互作用，大大增强其非线性光学特性。这些特征让激子-极化激元在以下领域有广泛的应用：极化激元玻色-爱因斯坦凝聚态和极化激元双稳态，以及新型光子器件如极化激元激光器，和光电/全光电路元件如极化激元开关、极化激元晶体管和逻辑门。此外，激子-极化激元的色散关系与光子明显不同，会产生慢光效应，因而有利于感应和增强非线性效应。特别地，激子-极化激元在具有破缺的平移对称性的过渡金属硫化物(TMDCs)中，由于激子和光场的限制而具有增强的光与物质耦合强度，并且还能够实现诸如超流体和拓扑极化激元等奇特现象。因此，了解和调控单层TMDCs中激子-极化激元的耦合强度、组成和色散关系对发展高性能、大带宽、可调控的二维极化激元发光器件至关重要。

[0003] 然而目前的激子-极化激元的研究仍有以下不足，难以直接运用于高性能的片上光电子器件：(1)目前的极化激元发光器件受到拉比分裂(Rabi分裂)减弱、室温操作困难和分裂线宽小的限制，这些限制阻止了高泵浦光激发时的强相干作用，而强相干是实现室温极化激元的关键。另一方面，极化激元的产生强烈地依赖于激子、光子的超快动力学特征，只有当激子衰变率明显低于光子泄漏率时，极化激元凝聚态才得以形成。然而，TMDCs激子衰变过程是超快的(通常小于10ps)，与光子泄漏寿命相当，因而需要研究极化激元的超快动力学特征；(2)大多数极化激元发光器件采用FP光学微腔(法布里-珀罗腔)与TMDCs构成异质结，但是FP光学微腔不能自由设计、改变光腔模式、对后处理相对严格、且TMDCs夹在FP腔中，制作工艺复杂、难以控制，可能会改变或降低TMDCs的光学特性。

[0004] 在实际应用过程中，发明人发现现有的极化激元发光器件量子产率低、出射光不可调控。且不易于集成。

发明内容

[0005] 本发明实施例提供一种定向发射且可调控的极化激元发光器件及其制造方法，用以解决现有技术中极化激元发光器件量子产率低、出射光不可调控。且不易于集成的问题。

[0006] 针对以上技术问题，本发明的实施例提供了一种定向发射且可调控的极化激元发光器件，包括衬底、金属薄膜、隔离层、TMDCs层和介质层；

[0007] 所述金属薄膜在所述衬底上形成，所述隔离层在所述金属薄膜上形成，所述TMDCs层在所述隔离层上形成，所述介质层在所述TMDCs层上形成，且所述介质层为光栅结构；

[0008] 其中，由所述金属薄膜、所述隔离层和所述介质层组成的光学微腔的光子模式的谐振峰与所述TMDCs层的激子峰的波长相等；通过调节入射到所述极化激元发光器件中入射光的入射角度调控所述极化激元发光器件的出射光的出射角度，实现出射光的定向发射。

[0009] 可选地，所述TMDCs层为由单层TMDCs分子组成的薄膜结构。

[0010] 可选地，所述介质层为周期性的条状光栅结构、圆柱状光栅结构或者多面体状光栅结构。

[0011] 可选地，所述衬底由硅形成，所述金属薄膜由金或者银形成，所述隔离层由Al2O3形成，所述介质层由聚甲基丙烯酸甲酯或氮化硅形成。

[0012] 本实施例提供了一种制造以上任一项所述的定向发射且可调控的极化激元发光器件的方法，包括：

[0013] 在所述衬底上形成厚度为200nm的所述金属薄膜，在所述金属薄膜上形成厚度为5nm的所述隔离层；

[0014] 将预先形成的所述TMDCs层转移到所述隔离层上，在所述TMDCs层上形成所述介质层。

[0015] 可选地，所述在所述衬底上形成厚度为200nm的所述金属薄膜，在所述金属薄膜上形成厚度为5nm的所述隔离层，包括：

[0016] 采用热蒸发将厚度为200nm的所述金属薄膜沉积到所述衬底上，并采用原子沉积法在所述金属薄膜的表面镀上厚度为5nm的所述隔离层。

[0017] 可选地，所述将预先形成的所述TMDCs层转移到所述隔离层上，在所述TMDCs层上形成所述介质层，包括：

[0018] 预先采用化学气相沉积法生长由单层TMDCs分子组成的薄膜，作为所述TMDCs层，并将所述TMDCs层机械转移到所述隔离层上；

[0019] 采用电子束光刻法在所述TMDCs层上制备所述介质层。

[0020] 本实施例提供了一种片上光源，包括以上任一项所述的定向发射且可调控的极化激元发光器件。

[0021] 本实施例提供了一种CMOS光电子器件，包括以上所述的片上光源。

[0022] 本发明实施例提供了一种定向发射且可调控的极化激元发光器件及其制造方法，在衬底上形成金属薄膜，在金属薄膜上形成隔离层，在隔离层上形成TMDCs层，在TMDCs层上形成介质层，且介质层为周期性光栅结构。其中，由金属薄膜、隔离层和介质层组成的光学微腔的光子模式的谐振峰与TMDCs层的激子峰的波长相等，使得TMDCs层的激子、银薄膜的表面等离子体激元模式SPP和介质层的波导传播模式产生强耦合作用，形成激子-极化激元，并且提高量子产率。由于耦合作用增强，实现了对激子-极化激元超快动力学的调控，使得在入射光入射角度不为零度的情况下也能产生出射光，并通过调节入射角度调控出射光的出射角度，实现出射光的定向发射。此外，相比于制作FP光学微腔，在TMDCs层上形成光栅结构更容易实现，且基于单层TMDCs的极化激元发光器件能够与高度成熟的基于硅光电子学平台和CMOS集成工艺兼容。

附图说明

[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0024] 图1是本发明一个实施例提供的一种定向发射且可调控的极化激元发光器件的结构示意图；

[0025] 图2是本发明另一个实施例提供一种定向发射且可调控的极化激元发光器件的侧面剖面示意图；

[0026] 图3是本发明另一个实施例提供的基于银薄膜、单层WS2和一维光栅的混合结构随泵浦光能量(1.85eV-2.2eV)和入射角度(0°-25°)变化的色散谱；

[0027] 图4是本发明另一个实施例提供的在入射角为0时，基于银薄膜、单层WS2和一维光栅的混合结构的吸收曲线。

具体实施方式

[0028] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0029] 图1是本实施例提供的一种定向发射且可调控的极化激元发光器件的结构示意图，图2是本实施例提供的一种定向发射且可调控的极化激元发光器件的侧面剖面示意图，参见图1和图2，该定向发射且可调控的极化激元发光器件包括衬底101、金属薄膜102、隔离层103、TMDCs层104和介质层105；

[0030] 所述金属薄膜102在所述衬底101上形成，所述隔离层103在所述金属薄膜102上形成，所述TMDCs层104在所述隔离层103上形成，所述介质层105在所述TMDCs层104上形成，且所述介质层105为光栅结构；

[0031] 其中，由所述金属薄膜102、所述隔离层103和所述介质层105组成的光学微腔的光子模式的谐振峰与所述TMDCs层104的激子峰的波长相等；通过调节入射到所述极化激元发光器件中入射光的入射角度调控所述极化激元发光器件的出射光的出射角度，实现出射光的定向发射。

[0032] 本实施例提供的极化激元发光器件的介质层为光栅结构，通过调节光栅结构中刻线之间的间距和每一刻线的尺寸，使得由金属薄膜、隔离层和介质层组成的光学微腔的光子模式的谐振峰与TMDCs层的激子峰的波长相等，使得TMDCs层的激子、金属薄膜的表面等离子体激元模式SPP和介质层的波导传播模式形成强耦合作用，从而增强这种混合结构在可见光和近红外波段的量子产率和发光强度，使得在入射光入射角度不为零度的情况下也能产生出射光，实现极化激元发光器件出射光的定向发射，且出射光的出射角度可调控。

[0033] TMDCs层是由过渡金属硫化物(例如，二硫化钨)形成的层结构。衬底通常由硅形成，金属薄膜可以由金、银或者铂等形成，隔离层用于防止金属薄膜和TMDCs层为之间发生电荷转移。介质层为通过微纳加工形成的层结构，且其微纳加工精度在5nm之内。光栅结构可以是条状纳米线组成的光栅、圆柱状纳米线组成的光栅、多面体状光纳米线组成的光栅或者半圆柱状纳米线组成的光栅等，本实施例对此不做具体限制。

[0034] 本实施例提供了一种定向发射且可调控的极化激元发光器件，在衬底上形成金属薄膜，在金属薄膜上形成隔离层，在隔离层上形成TMDCs层，在TMDCs层上形成介质层，且介质层为周期性光栅结构。其中，由金属薄膜、隔离层和介质层组成的光学微腔的光子模式的谐振峰与TMDCs层的激子峰的波长相等，使得TMDCs层的激子、银薄膜的表面等离子体激元模式SPP和介质层的波导传播模式产生强耦合作用，形成激子-极化激元，并且提高量子产率。由于耦合作用增强，实现了对激子-极化激元超快动力学的调控，使得在入射光入射角度不为零度的情况下也能产生出射光，并通过调节入射角度调控出射光的出射角度，实现出射光的定向发射。此外，相比于制作FP光学微腔，在TMDCs层上形成光栅结构更容易实现，且基于单层TMDCs的极化激元发光器件能够与高度成熟的基于硅光电子学平台和CMOS集成工艺兼容。

[0035] 进一步地，在上述实施例的基础上，所述TMDCs层为由单层TMDCs分子组成的薄膜结构。

[0036] 首先，单层TMDCs激子具有更大的束缚能和谐振强度，其不仅在可见光范围内是直接带隙结构，具有较高的发光效率，而且其晶体结构的空间反演对称性是破缺的，导致激子能量的简并性(激子的自旋(+1或-1)特性与动量空间两个不等价能谷(K或K')相关，利用激发光的圆偏振特性(σ+或σ-)，可以对其能谷特性进行调控和探测)。此外,TMDCs的介质屏蔽效应减弱，必须考虑多体效应，容易产生激子、带电激子、双激子和激子-带电激子等多种准粒子。当TMDCs混合结构中激子与光子之间的能量转移速率快于其平均耗散速率时，实现强耦合效应，进而形成激子-极化激元。

[0037] 其次，单层TMDCs作为最薄的光学增益材料，已被证明可以支持低温下激光运转，因而研究室温下单层TMDCs异质结中激子-极化激元特性具有重要性：一方面，对室温下单层TMDCs异质结中极化激元的深入研究有助于提供定向发光且可调控的新型片上光源；另一方面，针对激子-激子-极化激元的超快动力学研究有助于分析不同激发条件下异质结的载流子驰豫机制，探索进一步增大激子-极化激元能谷自由度、提高荧光强度等的有效方式，从而扩大激子-极化激元在片上光电探测器、光学逻辑器件上的应用。

[0038] 最后，单层TMDCs表面自然钝化无悬挂键，使其易于与光子结构如硅基波导和硅基光腔集成，也可以与其他不同的二维材料构建垂直异质结，因而能够与高度成熟的基于硅光电子学平台和CMOS集成工艺兼容，而不存在常规晶格失配问题。基于此，该极化激元发光器件易于进行CMOS工艺集成。

[0039] 也就是说单层TMDCs分子组成的TMDCs层更有利于激子的产生，容易和光学微腔形成强耦合。

[0040] 进一步地，在上述各实施例的基础上，所述介质层为周期性的条状光栅结构、圆柱状光栅结构或者多面体状光栅结构。

[0041] 图1中的介质层为周期性的条状光栅结构，在实际制造过程中，可以采用横截面为不同形状的结构形成光栅，只要能够使得制造的混合结构形成强耦合即可。

[0042] 在本实施例提供的极化激元发光器件中，介质层中的光子晶体和TMDCs层形成异质结，由于光子晶体具有高品质因子、模式可设计、小型化、实用性以及易于复制和集成等优点，使得与光子晶体的集成能够显著调节单层TMDCs周围的局域光密度，从而大大改善了发光、吸收特性，实现基于单层TMDCs的小型化发光器件。当单层TMDCs和光子晶体异质结中产生激子-极化激元时，由于激子和光子的限制，导致在相应界面上有高度集中的光场，从而增强光与该异质结耦合强度，能实现诸多新奇的物理现象，从而扩大激子-极化激元在片上光电探测器、光学逻辑器件上的应用。

[0043] 进一步地，在上述各实施例的基础上，所述衬底由硅形成，所述金属薄膜由金或者银形成，所述隔离层由Al2O3形成，所述介质层由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或氮化硅形成。

[0044] 为了说明本实施例提供的极化激元发光器件的定向发射和可调控特点，本实施例以单层二硫化钨作为TMDCs层形成极化激元发光器件，图3为本实施例提供的基于银薄膜、单层WS2和一维光栅的混合结构随泵浦光能量(1.85eV-2.2eV)和入射角度(0°-25°)变化的色散谱，如图3所示，在泵浦光能量为2.0eV-2.05eV，入射角为11°-15°时，其荧光发射谱发生Rabi分裂，导致了激子-极化激元的产生，且具有较大的能谷极化率和能谷自由度，保证了极化激元光源的发射方向可调控。

[0045] 图4为本实施例提供的在入射角为0时，基于银薄膜、单层WS2和一维光栅的混合结构的吸收曲线，如图4所示，该极化激元发光器件在610nm-650nm表现出强吸收效应，其吸收强度明显增强，并且在610nm-620nm波长范围出现第二个吸收峰的叠加。

[0046] 在上述实施例的基础上，本实施例提供了一种制造以上所述的定向发射且可调控的极化激元发光器件的方法，包括：

[0047] 在所述衬底上形成厚度为200nm的所述金属薄膜，在所述金属薄膜上形成厚度为5nm的所述隔离层；

[0048] 将预先形成的所述TMDCs层转移到所述隔离层上，在所述TMDCs层上形成所述介质层。

[0049] 本实施例提供的方法将单层TMDCs与介质层的光子晶体按照一定顺序垂直堆叠形成新型异质结构，可以产生激子-极化激元准粒子。纳米结构能有效地增强和引导单层TMDCs中两个简并能谷朝着不同方向发光，具体可分为两大类：一类是利用表面波实现能谷自由度的空间分离，另一类是利用具有相反螺旋度的激发光实现能谷自由度的动量空间分离。本实施例提供的方法利用高度精密的数值算法来设计合适的光子晶体结构，然后使用微纳加工技术和超快光谱技术测量研究室温下单层TMDCs-光子晶体异质结作为片上光源的荧光发射角度、谷极化率等特性。

[0050] 进一步地，在上述各实施例的基础上，所述在所述衬底上形成厚度为200nm的所述金属薄膜，在所述金属薄膜上形成厚度为5nm的所述隔离层，包括：

[0051] 采用热蒸发将厚度为200nm的所述金属薄膜沉积到所述衬底上，并采用原子沉积法在所述金属薄膜的表面镀上厚度为5nm的所述隔离层。

[0052] 进一步地，在上述各实施例的基础上，所述将预先形成的所述TMDCs层转移到所述隔离层上，在所述TMDCs层上形成所述介质层，包括：

[0053] 预先采用化学气相沉积法生长由单层TMDCs分子组成的薄膜，作为所述TMDCs层，并将所述TMDCs层机械转移到所述隔离层上；

[0054] 采用电子束光刻法在所述TMDCs层上制备所述介质层。

[0055] 进一步地，采用电子束光刻法在所述TMDCs层上制备所述介质层，包括：在所述TMDCs层上形成由所述介质层材料组成的薄膜，在薄膜上通过光刻胶形成光栅图案，经过刻蚀形成所述介质层。

[0056] 具体来说，当衬底由硅形成，金属薄膜由银形成，隔离层由Al2O3形成，介质层由聚甲基丙烯酸甲酯形成时，可以采用如下方法形成极化激元发光器件，包括：

[0057] 首先，采用热蒸发的方式将200nm厚度的银薄膜是沉积在硅衬底上；

[0058] 其次，用原子层沉积法在银薄膜表面镀一层5nm的隔离层Al2O3薄膜；

[0059] 第三，采用化学气相沉积法(CVD)生长单层TMDCs层，然后生长好的单层TMDCs层被机械转移到隔离层Al2O3薄膜上；

[0060] 最后，在单层TMDCs层上，使用电子束光刻技术制备具有一维周期性的条状PMMA光栅，完成基于单层TMDCs-一维光栅的极化激元发光器件的制作。

[0061] 其中，实验中需要选择合适的泵浦光波长以及精确可控的入射角度，用以实现强耦合作用下的发光强度增强和发射角度的可调控。本实施例形成的混合结构是垂直发射的极化激元发光器件。如图1所示，例如，当泵浦激光采用垂直于一维介质光栅上表面的方向泵浦该混合结构时，其产生的荧光也垂直于一维介质光栅上表面，这样实现的片上光源主要为垂直发射的极化激元光源。该极化激元光源工作范围是可见光至近红外，并具备低激发阈值的特点。这种出射方式为基于单层TMDCs-一维光栅的极化激元光源与其他光电子器件在单片上的集成提供了很好的思路。

[0062] 在制造本实施例提供的极化激元发光器件的过程中，银薄膜、单层TMDCs与一维介质光栅集成的混合结构利于实现单层TMDCs层的强激子(exciton)、银薄膜的SPP以及一维介质光栅的波导传播模式三者间的强耦合相互作用，增强该混合结构在可见光和近红外波段的量子产率和发光强度，并能够实现定向发射且角度可调控。

[0063] 通过设计合适的一维介质光栅结构，将单层TMDCs用作增益材料，将二者与银薄膜集成构成混合结构，增强其耦合作用强度，形成较大的拉比分裂(Rabi spliting)和具有能谷自由度的极化激元，从而实现发光强度的增大和发射角度的可调控。由于亚波长横截面，一维介质光栅的几何结构决定了其内的波导传播模式。此处，TE2波导传播模式会与单层TMDCs的激子相互作用，产生激子-极化激元。一维介质光栅几何结构的设计也需要考虑实验条件，如选取的泵浦光激发后产生的TE2波导传播模式波长，要正好对应于所设计的单层TMDCs的激子峰。这些设计可以采用有限元算法或时域有限差分法进行数值计算模拟得到合适的参数。此外，在微纳加工一维介质光栅时，应该选择高质量的PMMA。

[0064] 本实施例提供了一种片上光源，包括以上任一项所述的定向发射且可调控的极化激元发光器件。

[0065] 当图1中的极化激元发光器件用作片上光源时，衬底由硅形成，金属薄膜由银形成，隔离层由Al2O3形成，介质层由聚甲基丙烯酸甲酯形成时，该片上光源的结构从下到上依次包括：

[0066] 硅衬底；

[0067] 银薄膜(金属薄膜)，位于硅衬底的上方，银薄膜厚度为200nm；

[0068] 隔离层Al2O3薄膜，位于银薄膜和单层TMDCs层之间，用于隔离银薄膜和单层TMDCs层间的电荷转移；

[0069] TMDCs层，用作该极化激元片上光源的增益介质，位于隔离层Al2O3薄膜和一维介质光栅之间，通过和银薄膜以及一维介质光栅发生强耦合作用，实现片上光源的功能；

[0070] 一维介质光栅(介质层)，由一维周期性排列的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)条状光栅构成。一维介质光栅制作在环境空气中，下与单层TMDCs层相连。该一维介质光栅不仅与银薄膜相互作用，产生表面等离子体激元模式(SPP)，其内还产生波导传播模式，提供了激子与SPP或者波导传播模式强耦合作用的产生条件。

[0071] 本实施例提供了一种CMOS光电子器件，包括以上所述的片上光源。

[0072] 本实施例提供的片上光源和CMOS光电子器件，利用光子晶体与单层TMDCs集成构成异质结用作片上光源，可以实现室温下激子-极化激元的定向且可控地荧光发射特性。实现光子晶体与单层TMDCs的强耦合作用，实现对激子-极化激元超快动力学的调控，克服了现有技术方案的不足。对定向发光且可调控的片上光源的实现、集成化以及多功能化的提升意义重大，对于片上光互联、片上光源和未来高性能计算机的发展意义重大。

[0073] 本实施例提供的极化激元发光器件实现了强耦合作用，使得量子产率和发光强度都显著提高。单层TMDCs、银薄膜和一维介质光栅均具有超快响应速率，保证了光源的快速调制。激子-极化激元具有较高的能谷极化率以及能谷自由度，保证了该混合结构的定向发射且其辐射方向的可调调控。此外，该极化激元光源的工作波长在可见光和近红外，并具备低激发阈值的特点。由于单层TMDCs表面自然钝化无悬挂键，使其易于与光子结构如硅基波导和硅基光腔集成，因而易于与CMOS工艺集成。

[0074] 综上，本实施例提供的极化激元发光器件利用银薄膜、单层TMDCs与一维介质光栅集成构成混合结构，实现在可见光和近红外波段范围内荧光发射强度，且其辐射方向可调控。通过设计合适的一维介质光栅结构，将单层TMDCs用作增益材料，并将二者与银薄膜集成构成混合结构，增强其耦合作用强度，形成较大的拉比分裂(Rabi splitting)和具有一定能谷自由度的极化激元，从而实现发光强度的增大和发射角度的可调控。由于亚波长横截面，一维介质光栅的几何结构决定了其内的波导传播模式。此处，TE2波导传播模式会与单层TMDCs的激子相互作用，产生激子-极化激元。一维介质光栅几何结构的设计也需要考虑实验条件，如选取的泵浦光激发后产生的TE2波导传播模式波长，要正好对应于所设计的单层TMDCs的激子峰。此外，在微纳加工一维介质光栅时，应该选择高质量的PMMA，且其微纳加工精度应该在5nm之内。该设计方案能大大增强荧光发射强度和量子产率，降低激发光阈值，并能够实现发射波长、辐射方向的可调控性，对于片上光互联、片上光源和未来高性能计算机的发展意义重大。

[0075] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。