北京大学物理学院肖云峰团队在范德瓦尔斯材料“雕刻”光学微腔，实现片上高效非线性光学

如何把范德瓦尔斯材料真正做成低损耗、高性能的片上光子器件，是近年来纳米光子学领域面临的重要挑战。4月13日，北京大学物理学院肖云峰教授团队与芬兰阿尔托大学Zhipei Sun教授团队合作，发展出一套通用纳米加工方法，将多类范德瓦尔斯材料制备成低损耗光学微腔，并实现了高效连续波片上非线性光学过程。

范德瓦尔斯材料因其原子级平整表面、丰富的材料体系和优异的光学性质，被认为是新一代纳米光子学的重要候选平台。近年来，这类材料已在发光、调制、探测和频率转换等方向展现出独特潜力。然而，长期以来，面向广泛范德瓦尔斯材料家族及其异质结构，始终缺乏一种高精度、低损伤和低光学损耗的通用纳米加工方法。这一关键瓶颈长期限制了范德瓦尔斯材料低损耗全光结构平台的实现，也使这类材料在多数研究中更多停留于传统光子芯片辅助材料的角色。

图1 基于范德瓦尔斯材料的片上异质光路概念图及其通用纳米加工流程示意图

针对这一问题，肖云峰团队与Zhipei Sun团队合作，发展出一套基于铝钝化保护的聚焦离子束通用纳米加工方法，可实现多类范德瓦尔斯材料及其异质结构的高精度图形加工（图1）。研究团队在h-BN、MoS₂、GaSe、NbOCl₂等多种代表性范德瓦尔斯材料中，制备了微盘、光子晶体和三角谐振器阵列等多类光子结构，并进一步展示了如MoS₂/VOCl₂这类垂直堆叠异质结构器件的加工能力。上述结果表明，该方法不仅适用于单一材料体系，也适用于自由组合的异质堆叠结构，为构建低损耗范德瓦尔斯全光结构平台提供了关键工艺基础。

研究团队进一步实现了本征品质因子超过10⁶的范德瓦尔斯微盘腔。团队汪芷砚、邵浩然等人在实验中观测到微腔𝑄值随工作波长增加而升高，这一趋势与基于表面粗糙度散射损耗的理论模型相符合，表明所发展的加工方法已经很大程度抑制了侧壁与表面粗糙引入的散射损耗。

图2 GaSe微盘腔中的二次谐波过程和热调结果

高品质因子意味着光能够在微腔内被长时间、高强度地束缚，从而显著增强光与物质的相互作用，为高效非线性光学过程提供了理想平台。依托这样的超低损耗光学共振平台与材料本征强非线性，团队汪芷砚、邵浩然等人在GaSe微盘中实现了高效连续波二次谐波产生，其归一化转换效率较此前报道的范德瓦尔斯体系提升了4个数量级，同时，器件还实现了覆盖一个完整自由光谱范围的热调谐输出（图2）。进一步地，团队在GaSe微盘中展示了连续波和频过程，在h-BN微盘腔中展示了基于三阶非线性的连续波光参量放大过程。

该成果不仅突破了范德华材料“只能作辅材、不能作主体”的传统局限，也为构建低损耗、高集成度、多功能的片上光子芯片开辟了新路径。研究成果表明新的材料平台未来有望在可重构光子学、非线性信号处理、量子光源、量子逻辑器件以及高灵敏传感等方向发挥重要作用，并为探索范德华材料与等离激元、声子激元、激子等多种共振体系的耦合提供新机遇。

该研究以“All-van der Waals microcavities for low-loss nonlinear photonics”为题发表在《自然·材料学》（Nature Materials）期刊上。肖云峰和Zhipei Sun为论文共同通讯作者，合作者包括刘文静助理教授和刘开辉教授等人。